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王贻芳:探索“无穷”物质世界的路上,中国不再缺席
*以下根据王贻芳于2021年11月24日在高山夜话的部分课程内容整理而成,经老师审核后公开发布。


授课老师:王贻芳高山书院顾问委员会委员,中国科学院院士,俄罗斯科学院外籍院士,发展中国家科学院院士,中国科学院高能物理研究所所长

* 注:全文共2篇,本文为第1篇




高能物理是干什么的?可以用四个字概括:探索无穷——一边一层层撩下物质的神秘面纱,揭开“无穷小”的物质结构;另一边一点点将视角往外拓,发掘“无穷大”的宇宙图景。

随着粒子物理的深入,越来越多的新粒子被发现,关于“物质由什么组成”的“谜底”一次次刷新了我们的认知。而更始料未及的是,这个过程诞生了一个彻底颠覆人类文明生活的关键技术——万维网,并演变成了今天的互联网。

在过去探究“无穷小”的路上,中国一直处于缺席状态;但自从八九十年代中国建造了自己的正负电子对撞机,情况慢慢有了好转,甚至取得了不小的突破。

2012年,我们成功探测到了新的中微子振荡模式;2013年,我们成功看到了第一个四夸克态粒子;2015年,我们开始了江门中微子实验,未来,将会和与美国的DUNE,以及日本继超级神冈以后最前沿的中微子探测器HyperK,构成世界三大中微子实验。

除了钻研“无穷小”,中国也没有忘了琢磨“无穷大”,理解宇宙从哪儿来、将往哪儿去。当下的研究正在往这几个世纪难题攻关:

(1)早期宇宙的模样

(2)宇宙线的起源与加速之谜

(3)反物质与暗物质

(4)X射线相关的极端宇宙事件

这些研究都建立在性能良好的实验室和仪器上,所以AliCPT实验室、四川稻城的宇宙线观测站LHAASO、高能宇宙辐射探测设施HERD、大型X射线偏振天文台等等正在积极部署当中——随着这些国际领先的实验室和设备正式启动,中国将有望占据国际高能物理舞台上的C位。


很多人参观完高能物理所以后,心中可能充满了疑惑:

  • 高能物理究竟是干什么的?

  • 为什么要做这些研究?

  • 目前研究到了哪个阶段?

  • 未来我们还想做什么事情?


接下来我尽力给大家介绍说明——如果大家有什么想法,欢迎大家随时提问。


探索无穷


高能物理是干什么的?可以用四个字概括:探索无穷——无穷小的物质结构,无穷大的宇宙图景

为什么要探索这些事?其实也不需要什么特殊的理由。人类文明发展到一定阶段,自然就会考虑这些问题。

2000年前,古希腊的哲学家、科学家就在思考这些有关宇宙的问题,思考我们所处的物质世界。


几乎在同一个时候,我们中国的思想家也思考了类似的问题。


无论对错,这些思考都达到了一个新高度。一个文明能有这些伟大的人物,我们都为之骄傲。

可惜到了近代,我们对物质世界、宇宙的理解与思考远远落后于西方人。现在的相关知识与理论,不能说100%,但近90%以上都来源于西方的思想家和科学家。我们自然也希望能在科学的深度与高度上,也能像文学、艺术、音乐、美术、体育一样,跟西方切磋比划。

经常有人问:科学有什么用?其实科学就是比脑袋、比思想,看谁更深刻、更前瞻,也不见得一定要有啥用。作为一个伟大的文明,就应该有类似的文明果实,而不是说非得从科学中获得些什么才搞科学。

搞科学自然是会有收获的,但那不是科学的出发点。事实上,如果是带着功利的初心去做,研究一定做不好,因为你会不断算计所谓的付出和收获,看它们是否成比例,而一旦有了这样的计算,你就会陷入犹豫,甚至放弃,尤其是像科学这种难以直接计算产出的事。


无穷小


粒子物理研究的就是物质的最小结构,一层一层往下深挖,以至“无穷小”。


在过去数百年的科学研究中,构成物质世界的最基本结构从“原子”发展到了“原子核”“核子”“夸克”这么多层次,每一个层次都是一个新的领域。有些人停留在当前的层次,进行横向探索,而另一些人则继续往下走,垂直挖掘。高能物理是后者。

那么对物质的基本结构,我们是怎么进行研究的?

最早我们靠的是显微镜。显微镜实际上就是用光波看,所以光波的波长也是我们看得到的最小尺度,即10⁻⁷米。

再往下,用的是电子显微镜。电子的波长比光子小得多,把可观测的最小尺度又推进了三个量级,到达10-10米。

但正常情况下的电子能量终究是有限的。所以需要依靠加速器把电子提升到更高的能量,即更短的波长。如此一来,可以观测到的最小尺寸又提升了5个量级,约10-15米。


未来再往下也一样,由于测不准原理,除了提高能量、减小波长以外,别无他法。所以大家刚才参观的加速器和探测器,就是我们当前研究前沿微观世界最基本的手段。


标准模型诞生


2000年前,古希腊人开始思考构成物质世界的最小单元,并给它起了一个名字,叫原子。

到了十九世纪末、二十世纪初,我们发现了物质更精细的结构,也就是中学时特别熟悉的行星模型——原子核里有质子和中子,而电子在外面绕着它转。


直到上世纪五六十年代,我们在加速器实验中发现数百个新粒子。这些新粒子在当时漂亮的体系下完全没必要存在,一时也不知道往哪搁。

到了1964年,加州理工学院的盖尔曼大胆猜测:这几百种新粒子不全是基本粒子,其中必然存在某一种更深层次的结构,再由它们构成了这几百种全新的粒子,就像质子、中子、电子构成了周期表上各种元素,以及各种元素构成了我们生活中各种材料一样。

由此,盖尔曼提出了一个极其简单的模型,粒子只有三种内部结构,他称之为夸克——上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)。这些夸克可以以两个夸克(一正一反)构成一个介子,也可以以三个夸克构成一个重子。


在这两种模式下,这些夸克的不同排列组合给出了当时发现的几百种粒子的内部结构组成,并且成功预言了几种当时还没发现,但后来被证实的新粒子。

无疑,夸克模型取得了巨大的成功。盖尔曼在1964年提出夸克模型,1969年就得了诺贝尔奖。

但夸克模型同时也带来了很多疑问,比如:为什么粒子不能由四个、五个甚至更多夸克组成?另外,为什么夸克没有第4种、第5种、第6种?

果然,很快我们发现了第4种夸克。

1974年,丁肇中发现了一个全新的粒子,也就是J粒子。由于J粒子不能被三种夸克所解释,第四种夸克,即粲夸克(c)也浮出了水面。丁肇中也因此获得了1976年的诺贝尔奖。

再后来,第五种、第六种夸克,即底夸克、顶夸克也相应被发现。不过由于前面已经有了4种夸克,更多的夸克也显得不再意外,就再没有获得诺贝尔奖。

除了夸克之外,基本粒子另外还有一大类,叫轻子。我们发现的第一种基本粒子(即1897年发现的电子)就是一种轻子。

后来在1936年,我们发现了另一种和电子极其相似,除了质量以外其他性质都一样的轻子,取名为μ子。1975年,我们接着又发现了一个类似但比电子、μ子都更重的轻子,叫τ子。

事实上夸克的情况也类似——上、下夸克是最轻的第一代,而粲、奇异夸克,以及顶、底夸克,分别对应着一个性质雷同,但越来越重的第二、第三代。

另外1930年泡利从β衰变“能量不守恒”的现象中,提出了一种近乎隐形的新基本粒子。这种粒子悄悄拐走了电子的能量,并在1956年的时候被观测到,它就是中微子。跟电子对应的中微子叫电子中微子,而跟μ子、τ子对应的分别叫μ中微子、τ中微子。


当然,很多人会问,既然有了第一、第二、第三代,会不会也有第四代?美国斯坦福直线加速器和欧洲核子中心27公里长的大型正负电子对撞机发现,中微子只有三代,也就意味着轻子、夸克也只有三代,没有第四代。所有的基本粒子似乎全在这儿了,至于为什么,目前为止我们还没有搞清楚。

在这个模型下,物质世界简洁、对称得极其美妙。各种物质都可以由这些基本粒子搭建起来。

这些粒子之间彼此产生联系,都是通过相互作用力——或者传递这些相互作用的粒子(场)实现的。我们现在已经知道:传递电磁相互作用的是光子,传递强相互作用的是胶子,传递弱相互作用的是W和Z玻色子。

除此之外,在2012年,标准模型的一个灵魂粒子,就是希格斯粒子,终于被发现。

一直以来,基本粒子重量不一背后的机制成谜,而希格斯粒子关系到所有粒子质量的起源,终于在全世界上万名科学家、工程师30多年的努力下被破解。这是粒子物理一个重大的历史性时刻。

而在这个过程中,这样一个看似不着边际的研究产生了一个彻底颠覆人类文明生活的关键技术——万维网,即基于互联网的文件、数据交互传输方案和技术。我们现在所用的网站、浏览器及其底层技术等就是欧洲核子中心的科学家发明的。

所以说,如果非要计算科研的用处或性价比的话,光是这一项成果以及它带动的经济产出,就已经远远超过此前人类在粒子物理及整个基础科学研究的全部投入。


中国不再缺席


到目前为止,粒子物理标准模型获得了差不多三十个诺贝尔奖,是人类文明发展的最高点之一,或者说是目前已知的最漂亮的科学理论之一。

但遗憾的是,这么多的重大发现、这么多的诺贝尔奖,却跟中国一点关系都没有。所以八十年代初,邓小平拍板建造了北京正负电子对撞机。

目的有两个,一个是追赶国际高能物理发展的步伐,让中国在世界的科学与技术领域占领一席之地;另一个是借助基础科研跟国际科学界的联系,带动我们的国际合作和开放,打破禁运和技术封锁。当时建造北京正负电子对撞机所需要的各种设备,包括计算机都可以不受禁运限制。

1984年10月7日,北京正负电子对撞机项目破土动工,1988年完成第一次对撞。经费投入是2.4亿人民币——后来又进行了一次改造,花了6.4亿人民币。

很多人认为高能物理很烧钱,但如果把时间尺度、用户人数都考量进去,回过头看,至今长达约40年左右,每年都有数百上千人的研究使用这个设备,八九亿的科研设备绝对称得上是价廉物美。

而且在这个过程中,我们的很多技术水平也一下子提了起来,填补了二三十年的差距。除了技术的发展,我们在科学发现上也有一些重大突破。

四夸克态粒子


关于夸克模型,我们刚才提出了一个疑问:为什么只有两个或三个夸克组合而成的粒子?

那么事实上在2013年,我们成功看到了第一个由四个夸克(两个c、一个u、一个d)组成的粒子,国际上主要的科学媒体都做了报道,甚至在《物理》杂志2013年国际物理学十一项重要成果中位列榜首,在世界科学发展史上留下了我们的足迹。


中微子


关于标准模型,除了夸克、电子及其较重的兄弟之外,刚才还提到了一个基本粒子:中微子。

中微子的存在一直相当奇特。除了它难以探测、幽灵般的存在以外,性质也很怪异,它只存在左旋,没有右旋——换言之,它造成了弱相互作用下的宇称不守恒。


另外,中微子的质量一直是个谜。

在粒子物理的标准模型中,根据螺旋性测量,中微子的质量被假设为0。但在宇宙学的标准模型中,宇宙今天形成的大尺度结构以及不均匀的密度,要求中微子质量不为0。那么中微子质量到底是不是0?

1950年代,意大利物理学家庞特科沃指出:中微子可以发生振荡,即从一种中微子变到另外一种中微子;当中微子发生振荡,振荡的几率跟中微子的质量有关——质量如果等于0,中微子不会振荡。

反之,如果发现了振荡,首先从定性上,这意味着中微子是有质量的;另外定量上,如果能把振荡的数据测出来,我们就可以得出中微子的相对质量或者质量差。

经过40年的折腾,日本的超级神冈探测器在1998年观测到了大气中微子振荡,加拿大的萨德伯里观测站也在2002年观测到太阳中微子振荡,并给出了中微子的质量差。

从这两个实验,我们看到:至少有其中两种中微子的质量不为0——当然,最轻的中微子仍然存在质量为0的可能,但是几率很小。

不过这么一来,既然我们看到了两种中微子的振荡:θ₁₂,θ₂₃,很自然,我们也好奇中微子θ₁₃的振荡情况是怎样的。


当时大部分的中微子振荡模型都认为 θ₁₃为0,因为振荡公式和矩阵写下来特别干脆漂亮,不为0的话,就难看得多。很多理论物理学家还是倾向于相信宇宙符合优美的数学形式。但显然,理论归理论、美学归美学,科学需要实证。

于是我们开始了大亚湾实验。2003年,我们提出在距离反应堆1.5公里左右、中微子振荡最大的地方建一个探测器,探测它的振幅θ₁₃。探测器是由8个各100吨的圆柱体组成,其中真正的靶质量是20吨。


2012年3月8日,我们成功探测到了新的中微子振荡模式——从反应堆出来的电子中微子在飞行了1.5公里之后,9%变成了其他的中微子。另外,我们也分析了中微子振荡随距离的变化。这项发现在国际上产生了很大的影响,也被美国《科学》杂志(Science)列为2012年度十大科学突破。

随后在2015年,我们开始了一个新的实验,也就是江门中微子实验。

我们在中微子振荡另外一个极大值位置,即中微子源的52公里外,放置一个更大的探测器,2万吨,是大亚湾实验的200倍。因为距离越远,中微子的通量就越小,探测器要越大。选址在广东江门,是因为那里有一座山,可以在地下建这个探测器,同时跟阳江、台山两个核电站等距,相当于将中微子通量提高了一倍。


通过这个实验,我们想做到什么?

第一,了解中微子的质量顺序。前面提到的中微子实验,最后测出的是中微子质量差的绝对值,所以实际上我们并不知道孰重孰轻——接下来如果测出了正负符号,我们就能给它们的质量排序。


第二,把中微子振荡参数的精确度提高一个量级。此外我们还可以研究更多中微子现象,比如超新星中微子、地球中微子、太阳中微子等等,特别是超新星中微子,到目前为止,我们只看到了20个来自超新星爆发的中微子,其中日本的小柴昌俊也因为看到了这20个当中的12个,创立了中微子天文学而获得了诺贝尔奖。


除此之外,还有其他东西可以做。比如2030年以后,我们还可以对实验进行改造,转到测量中微子的绝对质量,前面测量的都是相对质量,但我们终究是希望能知道它到底是多少。

这个江门中微子探测器,将会和与美国的DUNE,以及日本继超级神冈以后最前沿的中微子探测器HyperK,构成世界三大中微子实验。这两个设备约2027~2029年建设完成,而我们是2023年建成,所以我们将有一个4年左右的时间优势。

当然,当中的技术是非常困难的。

首先是地下的土建工程,50米宽、70米高的地下洞室,是中国乃至世界上已知的跨度最大的民用地下洞室。

其次,它需要的液体闪烁探测器比世界上现有最大的探测器还要大20倍,而透明度也是世界最好,衰减长度可达25m (相比大亚湾实验是15米)。其中,涉及一个世界上最大的有机玻璃球,能装下2万吨的液体闪烁体。我们可以想象,如果一个集装箱是20吨,这体积得走1000趟才能灌满。

另外,探测器捕捉光子的性能要提高5倍,而这就涉及刚才我们参观时看到的光电倍增管的灵敏度。

传统的光电倍增管先将一个光子转换为一个电子(效率~20%),再用打拿极(Dynode)收集(效率~60%)。以超级神冈为例子的话,整体效率在25%*60%=15%。而我们研发的国产光电倍增管,试图把将一个光子转换为一个电子的效率提升到30%,再通过微通道板(Microchannel plate)收集(效率~100%),整体效率可提升到30%*100%=30%
最终我们做成了。成功发明并绕过已有的各种专利,掌握了全部最佳的工艺,实现了完全自主的知识产权。而且做成以后,这不光是能给江门中微子设施提供光电倍增管进行实验,企业也设立了研究院推进其它的应用方向,如高速光电器件。


无穷大


除了无穷小,在高能所我们的另一个研究方向是无穷大,理解宇宙从哪儿来、将往哪儿去。

从无穷小到无穷大,看起来是南辕北辙,但实际上是殊途同归。因为要想搞清楚小尺度的内部结构需要高能量把粒子打碎,而在宇宙尺度上,由于宇宙是从一场大爆炸诞生,它的研究也同样涉及了高温和高能量。


无穷大的研究以及中国的研究现状主要聚焦在以下几个方面:

早期宇宙的面貌


宇宙微波背景辐射是早期宇宙残留下来的遗迹,跟其他的天文观测一起确立了宇宙大爆炸和暗能量的存在。

在这过程中,微波背景辐射的研究产生过两个诺贝尔奖;如果能精确测量宇宙微波背景辐射,我们还可以探测是否存在原初引力波,也就能够知道宇宙早期是否有暴涨这个过程及其产生的原初引力波是什么样子。

蓝色为观测微波背景辐射的理想地点

从这张图上,大家可以看到,整个南极和北半球上的格林兰、西藏阿里都是宇宙微波背景辐射的理想地点。对于我们来讲,西藏阿里是开展微波背景辐射最好的场所。

所以我们正建设着一个AliCPT实验, 2022年应该可以完成一期工程,开始投入观测。这将是中国微波背景辐射观测的开始,过去我们从来没有类似的实验,同时作为北半球近乎唯一的观测窗口,我们也将在国际上占据一个重要的地位,出来一些重大发现。

宇宙线的起源与加速之谜


宇宙线虽然在1912年首次被发现,但它究竟从哪来、怎么样被加速到这么高的能量,很多问题至今为止还是未知。

1950年代,我们在规划基础科研的时候,就开始了在云南高山站的宇宙线研究。到了90年代,又在西藏羊八井开展了中日合作的ASγ实验,以及中意合作的ARGO实验。

最近,我们四川稻城的宇宙线观测站LHAASO也建成了,现在是国际上最好的宇宙线和伽马天文观测设施。探测器刚运行了一年,已经观测到一些非常重要的结果。

反物质与暗物质


丁肇中领导的一个实验,叫AMS,在空间当中放一个磁谱仪,可以测量与区分不同的粒子,如正电子、负电子、质子、反质子等。

接下来在2025~2027年,我们还会在中国空间站上建设高能宇宙辐射探测设施HERD,用在宇宙线成分的精确测量和暗物质搜寻。刚才参观的时候我给大家看了个小模型,由于我们在世界上全新的三维成像技术,以及五面灵敏量能器的创新设计,HERD在有效接受度等方面提高了一个量级,人家是零点几,而我们是2~3。


接受度之所以重要,是因为低能量区间没有发现的话,我们需要到更高的能量区间去找,但能量越高,粒子数越少,那么接收度就得提高。简单粗暴的做法是把接收器做大一点,但成本也会相应提高。在有限成本、相同重量与大小的情况下,我们已经做到了接收得比别人多得多。

所以我们相信HERD上天以后,会有国际领先的科研成果。

X射线相关的极端宇宙事件


慧眼卫星2017年6月15日发射成功,在轰动全球的双中子星并合产生引力波及电磁对应体事件、快速射电暴(FRB)等方面取得了一系列重要的成果。

预计在2027年左右,我们将发射一个新的大型X射线偏振天文台,可以研究黑洞、中子星等极端宇宙环境,也可以研究宇宙线。这些都是国际领先的设备,一半来自国际的贡献,对提高我们在国际舞台合作的深度、水平和影响力有非常重要的推动作用。

中国的粒子物理和粒子天体物理研究的现状及规划
整理丨邱施运
编辑| 朱珍
排版丨李嘉
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