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环形正负电子对撞机备受争议 王贻芳在坚持什么?

2019年11月08日  07:00   21世纪经济报道   白杨  

现在中国科学界需要回答的核心基本问题,就是中国的科学家有没有勇气、能力,以及社会和公众的支持,来做未来科学发展最重要、最核心的问题。

“对于CEPC,我们正在继续设计和进行关键设备的预研工作。原来的计划是2022年开建,但按现在的情况来看,提前是绝对不可能了,推后倒是有很大的可能性。”11月3日上午,中国科学院院士、高能物理学家王贻芳在接受21世纪经济报道等媒体的采访时表示。

CEPC,即环形正负电子对撞机,这是由中国高能物理学家们于2012年提出的一个世界级高能粒子大型加速器项目,而王贻芳是该项目的主要推动者。

王贻芳专注于高能物理领域的研究,曾领导完成北京正负电子对撞机上的北京谱仪(BESIII)的设计、研制、运行和物理研究,同时,他还开创了我国中微子实验研究,提出了大亚湾中微子实验方案并率领团队完成了实验的设计、研制、运行和物理研究。

2012年,王贻芳团队通过大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡模式,该成果入选美国《科学》杂志2012年全球十大科学突破,并获得了2016年度国家自然科学一等奖。

目前,由王贻芳提出的江门中微子实验正处在建设阶段,计划于2021年左右完成建设,这也是中国主持的第二个大型中微子实验。除此之外,推动CEPC的建设工作,也是王贻芳的一项重要工作。

对于该项目可能出现的推后情况,王贻芳告诉记者,一个项目的推动依赖于很多方面,2012年提出这个计划时,规划的是2022年开建,留下的准备时间是10年左右。

“到现在为止,我们基本是在按计划推进,当时定的10年任务,现在离2022年还有3年,实事求是讲,还有很多准备工作没有完成,所以感觉还需要更多的时间,而这个也取决于国家未来‘十四五’计划和其它大的计划的执行情况。”王贻芳说。

相比于此前的大亚湾中微子实验和正在建设的江门中微子实验,CEPC无论从规模还是资金投入上都要大很多。正因如此,CEPC的项目引发了很大的争论,很多人对该项目提出了反对和质疑,其中最为人熟知的反对者便是杨振宁。

所以在过去多年间,每当王贻芳出现在公众场合谈论CEPC项目时,被问的最多问题便是“CEPC有没有用?有什么用?”对于这些问题,王贻芳已经回答了不知多少遍,但他依然每次都会说,他希望通过自己的不断科普,能让更多人了解CEPC的价值。

那么除了基础科学的研究,CEP能带来哪些实际的好处呢?王贻芳在多年前就曾给出回答,他认为CEPC可以使中国至少在以下技术方面实现国产化:1、高性能超导高频腔,可应用于几乎所有加速器;2、高效率、大功率微波功率源,可应用于雷达、广播、通讯、加速器等;3、大型低温制冷机,可应用于科研设施、火箭发动机、医疗设备等;4、高速、抗辐照硅探测器、电子线路与芯片等。

除此之外,王贻芳还认为CEPC可以帮助中国在精密机械、微波、真空、自动控制、数据获取与处理,计算机与网络通讯等技术方面领先国际,可以培养上千名顶尖的物理学家和工程师,引进上千名国际顶尖的科学家和工程师,形成一个国际化的科学中心。

中微子的探索之路

在11月3日下午召开的2019腾讯科学WE大会上,王贻芳表示,中微子在整个物理学当中起着非常重要的作用。在构成物质世界的12个最基本的粒子中,中微子占了其中的三种,所以说中微子是构成物质世界最基本的单元。

1930年,著名科学家沃尔夫冈·泡利为了解决微观世界的能量和动量不守恒问题提出了“中微子”的概念;过了26年即1956年,美国科学家莱因斯在实验中发现了中微子,并因此获得了诺贝尔奖;1987年,日本神岗实验和美国IMB实验观测到超新星中微子。

在发现三种中微子之后,1988年,日本超级神冈实验发现了大气中微子振荡,2002年,加拿大的SNO实验发现太阳中微子振荡,而这两个实验由于发现中微子振荡均获得了诺贝尔奖。

王贻芳说,到了2002年的时候,科学家们已经发现了两种中微子振荡,但从物理角度来说,三种中微子应该有三种振荡。所以他们从2003年提出实验,开始推动大亚湾中微子实验建设,最终于2012年得到结果,发现了第三种中微子振荡。

而目前正在建设的江门中微子实验,是王贻芳在2008年大亚湾实验完成之前就提出来的,该实验的目的是研究中微子的质量顺序、精确测量中微子的振荡参数,同时也将研究大气中微子、太阳中微子、超新星中微子、地球中微子等。

王贻芳称,在江门中微子实验中,他还希望寻找一种叫做“无中微子双β衰变”的全新衰变,它将能确定反中微子到底是中微子自己本身,还是中微子、反中微子是不一样的粒子。这在粒子物理学当中是一个非常重要的研究目标。

为此,江门中微子实验的建设难度也大大提升。据王贻芳介绍,为了实现上述科学目标,需要建设一个大探测器,而这个探测器需要2万吨的液体闪烁体。

“刚才提到的大亚湾实验里液体闪烁体只有20吨,这里面差了将近1000倍。2万吨的探测器比目前世界上最大的液体闪烁探测器还要大20倍。”王贻芳说。

与此同时,该实验还需要把探测器的光收集提高5倍,这比过去也有了一个巨大的提升。为此,王贻芳团队需要把探测器液体的透明度提高近2倍,同时要把探测光子的光电倍增管的探测效率提升2倍。

王贻芳称,在推动江门中微子实验建设的过程中,遇到了种种困难,比如光电倍增管,他们团队就花了8年的时间才得到达标的样管。

但目前来看,整个江门中微子实验的进展都非常顺利。王贻芳告诉记者,“等江门中微子实验完成建设开始运行以后,我们相信会取得非常重要的成果,它也会在国际的中微子发展当中成为一个非常主要的研究基地。”

已经有了大亚湾中微子实验,江门中微子实验也正在建设,但王贻芳仍然觉得不够,他坦言,整体来看,中国的高能物理发展跟其他一些国家相比仍有很大的差距,核心还是体现在基础设施不足。

同时,整个业界已经完成了粒子物理标准模型的建立,所有粒子也都被发现了,这意味着即便中国要建设大型的基础设施,也需要寻找一个超出标准模型的新物理体系。

正是在这样的背景下,王贻芳提出了建设大型环形正负电子对撞机的方案。

为什么要做CEPC?

王贻芳称,CEPC的想法在国际上得到了很好的认可,也被认为是粒子物理未来发展的首选。而对中国来说,这也是一个理想选择,是中国能够引领世界基础物理研究最好的机会。

对此,王贻芳也给出了他的四点理由:

第一,希格斯粒子是目前粒子物理研究未知的一个最重要的窗口;

第二,希格斯粒子质量不是特别重,环形对撞机是一个理想的希格斯粒子工厂,相对于直线对撞机来说,这是效率更高的一种设计;

第三,国际上很多的竞争对手,如欧洲、美国、日本,他们的手上都有其它正在进行的项目,暂时腾不出手来做环形希格斯粒子工厂;

第四,环形正负电子对撞机刚好是中国会做的,北京正负电子对撞机已经积累了30年的研究经验。

从项目规模来看,CEPC一旦实施,将是中国基础科研的一个重大跨越,可对比的是,北京正负电子对撞机的周长是240米,而CEPC的周长将达到100公里。

这巨大的规模跨度同时也带来了高额的资金投入,而关于投入的问题,也是外界质疑CEPC的一个重要焦点。

针对项目资金,王贻芳在采访时特意强调,“看到很多报道说这个项目需要上千亿,我需要再次澄清一下,经过我们两次估算的结果,这个项目只需要360亿元。”

“至于1000亿是怎么来的,可能是有些人把项目的第二阶段也算了进去,”王贻芳接着说道,“环形正负电子对撞机完成之后,它有个100公里的隧道,我们不希望这个隧道被浪费掉,所以提出了一些其他的可能性,比如这个隧道可以用来做质子对撞机,也可以做重离子对撞机等。”

但是,只有环形正负电子对撞机是正在规划要做的,而上面提到的CEPC完成后的计划是否展开还不一定。王贻芳称,如果要做这些后续计划,需要满足两个重要的前提条件:第一,这个装置有重大的科学发现;第二,关键的技术要有突破。

“这两个条件缺一不可,少了一个都不会有第二阶段。而如果满足这两个条件有了重大技术突破,比如高温超导,那它对社会的贡献就不是百亿、千亿,而是万亿以上了。”王贻芳说。

王贻芳还表示,科学的发展从早期的手眼并用,到后来实验桌上的显微镜,再到大型的空间望远镜、地面大型加速器,这是一个不可避免的发展趋势。“我们研究的对象,要么越来越大,要么越来越小,这都是我们人力极难触及的,所以要借助仪器。未来的发展,谁有能力建设这些设备,谁最终就能成为世界的领导者。”

在他看来,现在中国科学界需要回答的核心基本问题,就是中国的科学家有没有勇气、能力,以及社会和公众的支持,来做未来科学发展最重要、最核心的问题。

“而CEPC就是一个最核心、最难的问题,敢不敢做,将决定中国未来科学发展能否走到舞台中央。”王贻芳说。

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