欲解決粒子物理最核心問題?建大型電子對撞機成首選
出品：新浪科技《科學大家》
撰文：王貽芳 粒子物理學家，另類寵物店加盟中國科學院院士，中國科學院高能物理研究所所長，研究員，博士生導師
中微子在我們周圍無處不在，從宇宙大爆炸到我們身處的地球，太陽等等，都有中微子。其實我們每一個人本身也是中微子源，每一個人每天會發(fā)射出三億四千萬個中微子。
中微子在整個物理學當中起著非常重要的作用，在構成物質世界的12個最基本的粒子當中，中微子占了其中的三種，所以說中微子是構成物質世界最基本的單元，我們需要把它研究清楚。
但是非常不幸，我們對中微子的了解非常少，到現(xiàn)在為止我們甚至連中微子質量到底是多少都不清楚，我們只能確定中微子有一點點質量。中微子在宇宙當中數(shù)量非常多，在整個宇宙當中大約每立方厘米有300個，所以中微子如果有一點點質量，它對我們整個宇宙的起源，演化，宇宙大結構的形成都會起非常重要的作用。
在大爆炸的早期，宇宙是非常均勻的，有一點點所謂的質量密度漲落，才能形成宇宙大的結構，宇宙大的結構形成以后，才會有銀河系，太陽，地球，以及人類。
所以，人類能否存在跟中微子質量到底是多少有很大關系。如果中微子質量為零，那么，這個世界上，宇宙里面，就不會有一個有密度漲落的結構，沒有這樣的一個結構，自然銀河系和人類就不會存在。
中微子研究史
中微子是1930年由著名科學家泡利提出來的，為了解決在微觀世界中能量和動量不守恒的問題。科學家在實驗當中發(fā)現(xiàn)能量動量不守恒，泡利解釋說因為有中微子這種基本無法探測粒子的存在，使得最后你看到的好像是不守恒，但其實是守恒的。
過了26年后，1956年，美國物理學家費雷德里克·萊因斯和克萊德·科萬在實驗上發(fā)現(xiàn)了中微子，萊茵斯因此得到了1995年的諾貝爾獎。
1962年，科學家發(fā)現(xiàn)其實不只有一種中微子，還有兩種中微子。其實在第二種中微子發(fā)現(xiàn)之前，有一位科學家就建議中微子和反中微子可能發(fā)生振蕩，從一種中微子變成另外一種中微子。
有兩種中微子以后，大家修正了這個想法，就是電子中微子和繆子中微子也可以發(fā)生振蕩。又過了40年，在1998年，日本科學家發(fā)現(xiàn)在大氣中微子當中，可以有中微子的振蕩，這就是非常著名的日本超級神岡實驗。
到了2002年的時候，加拿大的SNO實驗發(fā)現(xiàn)太陽中微子也可以振蕩。這兩個實驗由于發(fā)現(xiàn)中微子振蕩而獲得了諾貝爾獎。
截止2002年，我們看到有兩種中微子振蕩，但從物理上來說，阿里不達年代記三種中微子應該是有三種振蕩，所以當時的問題就是另外一個中微子振蕩模式，我們把它叫做θ13，從物理上來說其實有很多所謂的對稱性的希望，說這個θ13也是可以為零的，作為物理學家，我們就希望知道這到底是為零還是不為零。
我們在2003年提出實驗規(guī)劃，到2012年得到了結果，結果告訴我們，中微子真的是有第三種振蕩模式，這個振蕩不為零。
為什么要進行江門中微子實驗
目前，我們正在推動的一個新實驗叫江門中微子實驗。江門中微子實驗是我們在2008年大亞灣實驗完成之前就已提出來的。它是為了研究中微子的質量順序，精確測量中微子的振蕩參數(shù)，天體中微子（比如說超新星中微子，太陽中微子，地球中微子等等）。
同時，我們也希望尋找一種完全新的衰變，叫無中微子雙β衰變，確定反中微子是否就是中微子自己本身，在粒子物理學當中，這是一個非常重要的研究目標。
為了實現(xiàn)這個目標，我們需要建設一個大探測器，需要2萬噸的液體閃爍體。上文提到的大亞灣實驗里面液體閃爍體只有20噸，所以這里面差了將近1000倍。2萬噸的探測器比目前世界上最大的液體閃爍探測器還要大20倍。
同時，需要把探測器的光收集提高5倍，這比之前有了巨大提升。為此我們要把探測器液體的透明度提高將近2倍，還有一個非常重要的技術要求就是要把我們探測光子的設備，光電倍增管的探測效率提高2倍，也就是和過去在超級神岡實驗中用到日本濱松公司生產(chǎn)的光電倍增管的探測效率要提高2倍。
所有的技術要求加起來，產(chǎn)生一個巨大的問題：我們能不能做，或者世界上是不是真的有人能夠做這個事情？事實上，在我們提出這個方案的時候，國際上有很多懷疑，認為這樣的實驗做不出來。
回顧一下這樣類似的實驗，成功因素主要是什么？雖然設計思想，方案執(zhí)行，國際合作等因素都很重要，但是我們認為突破關鍵技術的能力，在所有因素當中應該是最重要的。關鍵技術需要長期的積累，并不是你想做就一定能夠做出來。
所以發(fā)展關鍵技術，積累關鍵技術，在基礎研究中起了一個非常核心關鍵的作用。
第一個，液體閃爍體。當時國際上有很多類似的實驗，之前的失敗很多，所以發(fā)展出自己的液體閃爍體技術是我們大亞灣實驗最重要的要求，非常幸運我們當時做成了。
第二個，光電倍增管。當時我們是從日本濱松公司買的，買了大概2000多個。
20吋光電倍增管關系著實驗成功與否
所以在江門中微子實驗的時候，千拓股票網(wǎng)我們自然還是要問這個問題，這些關鍵技術我們到底有還是沒有。
第一個液體閃爍體因為我們有了過去大亞灣實驗的基礎，所以我們認為應該是沒有問題的。
第二個光電倍增管，如果從濱松公司買的話指標差2倍，不夠，另外，價錢也是我們不能承受的，大概是我們能夠承受價格的2倍以上。
所以我們覺得這個實驗要想成功的話，一個核心關鍵問題就是要自己發(fā)展光電倍增管。
光電倍增管就是把我們看到的光子轉換成電子，再把電子放大差不多10的7次方倍。這種設備實際上是在上世紀30年代發(fā)展出來的，逃出恐怖舊宅它被廣泛的應用于醫(yī)學，核研究，空間科學方面。
上世紀60年代的時候，中國當時有兩個工廠能夠生產(chǎn)光電倍增管，但是非常可惜，到90年代的時候，在市場經(jīng)濟大潮當中，它們都失去了競爭力。
中國應該說生產(chǎn)5吋以上的光電倍增管能力是完全沒有的，日本的濱松公司在80年代的時候，發(fā)明了一種新的光電倍增管，是20吋的光電倍增管，這個光電倍增管引領了整個光電倍增管技術的潮流，使得日本濱松公司成為世界上最好的光電倍增管生產(chǎn)企業(yè)。
20吋的光電倍增管成功研制并有效使用，實際上也是日本的神岡和超級神岡兩個實驗的最核心，最關鍵的成功因素，這兩個實驗分別獲得2002年，2015年的諾貝爾獎。
上圖抱著光電倍增管的就是日本的小柴昌俊，他獲得了2002年諾貝爾獎。正是在他的推動下，20吋的光電倍增管在日本發(fā)展起來了。
所以，對于我們來說，我們是不是真的能夠在中國，發(fā)展出全新的20吋光電倍增管呢？實際上在這個研究領域，很多人都非常希望發(fā)展全新的光電倍增管，特別是提高它的探測效率。
一直到2010年，我們準備開始這個實驗的時候，幾乎是沒有成功的。我們當時提出了一個全新的技術方案，采用一種所謂的微通道板，來代替一般光電倍增管當中用的電子放大器件，通過這個技術我們可以提高光的探測效率。
我們第一次找了一家研究所，過了3年時間，這個探索完全失敗，做出來的光電倍增管沒有達到要求。
后來我們找了另外一家企業(yè)：北方夜視技術股份有限公司，這家企業(yè)技術能力其實當時并不是特別強，但是它有意愿做這件事情。我覺得這一點非常非常重要。不在于你前面有多少技術，有幾個科研人員，核心在于你是不是真的下決心愿意做一件前人沒有做過的事情。
所以，我們組成了合作組，建立了全新的合作模式，制定了章程，預先討論了未來的收益分配方式，通過這個我們避免了將來可能產(chǎn)生的一些爭議。同時在整個項目管理當中，我們有每周，每月的會議，經(jīng)過各種各樣的失敗以后，最終我們獲得了成功。
上圖都是我們做廢掉的光電倍增管，又經(jīng)過4年努力，如果從我們最開始算起，共經(jīng)過了8年的努力，我們得到了全新的，非常好的，達到要求的樣管。
這時，我們有一個問題，達到要求的樣管對企業(yè)來說也只是樣管而已，它有沒有能力做批量生產(chǎn)，能不能把我們需要的兩萬個20吋的光電倍增管都做出來？所以，我們當時做了一個非常艱難的決定：從北方夜視購買15000個，從日本的濱松購買5000個，這樣的話，我們在價格，性能，風險的各個方面能做到平衡。
通過這樣的競爭，我們得到了最好的光電倍增管，同時也得到了非常實惠的價格。如果沒有競爭，大概率不會有我們最終的這個結果，這15000個光電倍增管，差不多是將近3億人民幣的產(chǎn)值。
最終的效果非常好，到目前為止我們獲得了1萬多個滿足要求的光電倍增管，北方夜視也得到了不斷地發(fā)展，現(xiàn)在他們也在給其它實驗提供光電倍增管，同時也在給空間和核探測的應用方面提供微通道板和光電倍增管。最近它建設了一個很大的研究中心來研究新的光電倍增管，用于醫(yī)療儀器設備和工業(yè)應用方面。
北方夜視從原來純粹的生產(chǎn)微通道板的一個企業(yè)，發(fā)展成為一個具有很好研發(fā)能力的一個高科技公司。跟我們科學家合作，他們學會了如何做前人從來沒有做過的事情。科學家和工程師在訓練方面有本質的不同，兩者結合是最理想的技術發(fā)展模式之一。
下一步工作：解決粒子物理當中最核心的問題
在我們江門中微子實驗以后，其實我們面臨另外一個問題：高能物理是不是能夠站在世界舞臺的中央，換句話說，故園懷舊論壇我們是不是在研究，探討，解決粒子物理當中最核心，最根本的問題？
我們粒子物理現(xiàn)在的核心問題在哪里呢？我們其實面臨了一個轉折點，在我們已經(jīng)完成了粒子物理標準模型的建立，所有的粒子都被發(fā)現(xiàn)了之后，下一步該往哪兒走。
從很多跡象來看，我們需要一個超出標準模型的新物理體系。到底哪一個是對的，理論應該向哪個方面發(fā)展，實驗應該采用什么樣的方式，這個是我們面臨的重大問題。
所以，我們提出了我們的思想：建設一個大型的環(huán)形正負電子對撞機（簡稱：CEPC），它能產(chǎn)生一百萬個希格斯粒子。這個想法在國際上得到很好的認可，成為未來發(fā)展的首選。對中國來說，這是一個理想選擇，是能夠引領世界基礎物理研究最好的機會。因為：
第一，希格斯粒子是目前粒子物理研究未知的一個最重要的窗口。
第二，希格斯粒子質量不是特別重，環(huán)形對撞機是一個理想的希格斯粒子工廠，相對于直線對撞機來說，這是效率更高的一種設計。
第三，國際上我們很多的競爭對手（歐洲，美國，日本），他們的手上都有其它正在進行的項目，暫時騰不出手來做環(huán)形希格斯粒子工廠。
第四，環(huán)形正負電子對撞機剛好是我們會做的，我們有30年的北京正負電子對撞機的經(jīng)驗。
同時，就像我們剛剛說的，這樣一個裝置也會在技術上給我們帶來很多機會。
首先會推動我們國內現(xiàn)有的一些技術，達到國際領先水平。這里包括了精密器械，真空，自動控制，計算機等等。
其次會使國內現(xiàn)在空白的一些關鍵技術達到國際先進水平，比如說大功率的微波器件，大型的低溫制冷設備，超導磁鐵，專用集成電路等。
這些方面，我們國內要么是空白，要么是在國際上基本沒有影響力，我們希望自己的大型科學裝置成為國產(chǎn)設備的第一個用戶，來給它一個機會，讓它成長，成為國際領先的企業(yè)。
第三是有可能發(fā)展出一些革命性的全新的技術。比如說高溫超導到目前為止還沒有實現(xiàn)大規(guī)模應用，主要還是因為性價比不夠。我們需要有一個全新的引領，把這個技術發(fā)展起來，使它在最后能夠工業(yè)化，產(chǎn)業(yè)化，能夠走入千家萬戶。
還有等離子體加速，我們現(xiàn)在的加速器一般都是用磁鐵，微波，如果用等離子體加速技術，會使我們未來的加速器更小，更便宜。國際上等離子體加速器還沒有真正的應用，我們希望第一個把等離子體加速器給用上。
事實上我們在CEPC設計當中已經(jīng)是世界上第一個把等離子體加速器用上的加速系統(tǒng)。在CEPC的發(fā)展當中一定會有很多像剛才介紹的光電倍增管一樣的成功案例。事實上我們和工業(yè)界的合作已經(jīng)開始了，我們的CEPC產(chǎn)業(yè)促進會目前有將近70家企業(yè)，我們合作開發(fā)各種各樣的技術，發(fā)展各種各樣的新手段和能力。
大型的科學設施實際上是我們技術發(fā)展的最好觸發(fā)和推動。我們的科學家如果能夠和工程師工作在一起，可以使得技術能力大大加強和發(fā)展。國內的需求是我們高科技企業(yè)發(fā)展所需要的最重要的初始推動力，沒有這個第一步，很多高科技企業(yè)沒有機會。
我們希望能夠得到大家的支持，產(chǎn)生更多國內的需求，在國內做更多最好的科學，推動我們技術的發(fā)展。（圖片由編輯所加，來源于網(wǎng)絡）
2019年11月17日，在2019未來科學大獎頒獎典禮上，王貽芳接受了新浪科技等媒體的采訪，就基礎研究，對撞機建設，中微子探測等問題進行一一回應，以下是采訪實錄：
新浪科技：您認為在科學研究領域，基礎科學占據(jù)什么樣的地位？
王貽芳：基礎科學是所有科學的基礎，所以非常重要。過去我們對基礎科學采取的是拿來主義的方針，基本上都是學國外的，我們自己的貢獻相對來說比較少。跟我們這樣一個大國以及所處的經(jīng)濟地位不是很匹配。在未來，我們還是應該增加對基礎科學投入，希望能夠有更多的基礎科學方面的重大成果，同樣對國際社會能夠有更多的貢獻。
新浪科技：您覺得如何吸引年輕人來從事基礎科學研究？
王貽芳：我覺得只要國家給支持，年輕人自然會來，他會看到有前途。
新浪科技：做科學如果沒有肉眼可見的實際成果怎么辦？我們如何去評判科學研究的價值？
王貽芳：當然是要有成果的，不可能投錢進去，一點都沒有所謂的成果！這個成果不是社會大眾所理解的成果，也不是讓你立刻看到效果的成果，而是讓科學家群體自己來判斷投入有沒有產(chǎn)出，不同領域或者研究方向，它所謂的成果和效益是不一樣的。所以應該由科學家群體，特別是有基礎科學研究方面的國際同行一起來評判。
新浪科技：新時代的科學家精神包括愛國，創(chuàng)新，求實，奉獻，協(xié)同，育人等，您最看重哪一點？為什么？
王貽芳：我覺得都很重要。你要說哪一點可以忽略，好像都不合適。我覺得作為科學家，可能最重要的還是要有追求，你真的想做事情，并且想追求遠大的科學目標，而不只是發(fā)幾篇文章而已。
新浪科技：您之前做中微子探測的時候，有一些反對的聲音。您是怎么看待的？
王貽芳：如果做的事情有創(chuàng)新，有特別的地方，一定是大部分人沒有想到的，所以有人反對很正常。如果大家都想的跟你一樣，你的創(chuàng)新也沒有那么創(chuàng)新了，所以這需要時間來證明給大家看。
新浪科技：接著上一個問題，您怎么評判哪個項目是創(chuàng)新還是冒險或者是盲從？
王貽芳：這個是沒有絕對標準的。每個人都在平衡剛才你說的這幾點，創(chuàng)新也好，冒險也好，沒有任何一個人能絕對保證把這些因素平衡的恰到好處。所以需要經(jīng)驗，當然也要看具體工作的方式，方法，內容等等，通過這個過程來評判，可能一些有經(jīng)驗的專家，在這個過程當中能夠看出一點一點端倪來的。
但是，一般的人或者不是這方面專家大概很難評判。所以這也就是為什么在很多重大項目評審的時候，需要所謂頂級專家來評判。
新浪科技：您覺得現(xiàn)在是不是建設環(huán)形正負電子對撞機的最好時機？為什么？
王貽芳：目前來看，全世界的粒子物理學家絕大部分人都同意建造環(huán)形正負電子對撞機是對粒子物理精確研究的窗口，對于中國來說，這是一個非常好的機會。而且我們有可能抓住這個機會。
另一方面是我們有這方面的基礎技術積累，綜合各方面來看，目前是我們推動正負電子對撞機的最好時機，當然不是說明天就開建，還需要一定時間的準備，但是這個時間窗口不會超過10年。所以應該抓住這個時機。
新浪科技：您在之前的演講中多次提到好奇心這個詞。 您認為它在科學研究中扮演什么角色？
王貽芳：我們日常所有的科學研究，都是要由好奇心來驅動的，但是好奇心只是一個開始，之后要持之以恒的投入到研究中才行，大亞灣實驗最后獲得成功也是積累了幾個月的數(shù)據(jù)，所以不存在好奇就突然能成功的例子。
新浪科技：如今的青少年越來越多投身于科學研究，您認為對于他們來講，最需要注意的是什么？
王貽芳：我覺得能夠維持他們現(xiàn)在的好奇心，不改變就很好了。如果有了好奇心，就什么都有了，簡言之就是只要想去做，如果做自己想做的事情，誰也擋不住。相反，如果做自己不喜歡的事情，再怎么吸引也沒有用。
新浪科技：中美在基礎科研領域有沒有差距？有多大差距？
王貽芳：中美在基礎研究領域中，不同的領域差距不一樣。我認為基礎科學研究領域差距要大一些，大科學領域差距就更大一些，因為我們過去對大科學領域投入太少，規(guī)模太小，相比較起來，差距就比較大。小一點的科學，相對來說在儀器設備上差距比較小。人才方面可能有一些差距，頂尖科學家對比差距還是有的。
新浪科技：有些年輕的科研工作者對如何選擇研究方向，如何取得成績感到迷茫，您對從事粒子物理領域年輕科研工作者有什么寄語嗎？
王貽芳：每一代的科學家，在年輕的時候大概都有這種煩惱，看到前人都取得了很大的成果。到了他這里，他不知道怎么樣能取得跟前人一樣的成就，我覺得這是很正常的，因為最終取得大成就的畢竟是少數(shù)人，不可能每一個進入這個領域的人都能取得重大成果，所以有一部分人最后感覺到比較煩惱，我覺得是很正常的。
但是，從我參與到粒子物理研究這30年來看，我也參與到一些重大發(fā)現(xiàn)的時刻。所以科學發(fā)現(xiàn)不會停止的，而你會參與到那些重大成果的研究中去？這得看你自己的人生道路的選擇，研究的課題，選擇的導師等等，這些都有很多不確定因素。但是你進入這個領域進行研究，首先并不是單純?yōu)榱酥蝗〉弥卮蟪晒�，而是要喜歡它，喜歡你研究的領域，如果你有好奇心，那你就會不計得失的，你自然會去做的。
因此有成果當然很好，沒有成果你也很開心。
推薦
《科學大家》欄目精彩文章匯總
《科學大家》專欄投稿郵箱：sciencetougao@sina.com 來稿請注明姓名，單位，職務
