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中国高能物理研究想真正走在国际前面,最关键的是什么?

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宇宙中的物质从何而来

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物质构成最基本的要素是什么

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光子、中子、质子

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中微子、希格斯粒子……

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人类不断探索

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微观世界中的“无穷小”

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通过这种方式

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去发掘“无穷大”的宇宙图景

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过去三十多年来,实验高能物理学家、中国科学院院士王贻芳始终在与“无穷小”的粒子过招。他曾与团队发现了有关中微子新的振荡模式,为人类了解宇宙的形成提供了重要的视角。而今他又带领中科院高能物理所与空间站合作探索宇宙射线,同时推动环形正负电子对撞机实验,力图在中国建设一个全世界都向往的研究高地。

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在一代代中国实验高能物理学家的共同努力下,中国与国外在高能物理研究上的差距正在缩小。王贻芳希望,未来中国高能物理能够给出有关基础物理更多的答案。

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随着物理学家对粒子物理研究的不断深入,关于“物质由什么组成”的谜底一次次刷新着人们的认知。

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中微子是宇宙中最丰富的粒子之一,无处不在,能够以接近光速的速度穿越各种物体。2012年,在大亚湾反应堆中微子实验中,王贻芳与团队发现了有关中微子新的振荡模式。这一研究过程用了十年,被列为当年全球十大科学突破,将帮助人们破解宇宙中“反物质消失之谜”。

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大亚湾反应堆中微子实验是中美合作项目,美方团队负责人的资历比王贻芳更深。在开展实验的过程中,美国能源部曾一度提出要换掉王贻芳。

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“类似这样的问题经常会遇到。”王贻芳称,高能物理实验组建团队是一个复杂的过程。“他们觉得你这个虽然看起来很好,但根据他的经验,他觉得做不到。我说我肯定做得到。事实上最后我们也做到了。所以说,科学不讲究资历,也不讲究经验,是凭真本事。”

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其实,实验物理学家与大众认知中纯粹的科学家不太一样。

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“除了需要有科学思想,要努力实现科学目标之外,还要能带领团体,兼具管理者、工程师的角色。在实验过程中,会遇到各种各样意想不到的困难,有科学上或技术上的,也有人事上或商业上的。”王贻芳说,这也是他觉得实验物理研究让人着迷的地方。

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2012年,欧洲核子研究中心宣布人类找到了希格斯粒子。希格斯粒子可以赋予其他基本粒子质量,是粒子物理学标准模型的基石。而欧洲核子研究中心正是王贻芳初出茅庐时工作的地方。

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1985年,王贻芳被丁肇中选中赴欧洲核子研究中心研究高能粒子。当时中国与欧洲在高能物理、粒子物理研究方面有天壤之别。王贻芳说,现在中国与欧洲仍有差距,但已没有那么大。“如果我们再奋斗一二十年,应该说这个差距完全可以弥补。”这其中最关键的就是能否做出设备。

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“粒子的发现是基于大型的加速器和探测器,我们需要在设备的基础上做高能物理实验,核心的核心,不在最后的数据分析、发表的文章,而在于能否做出设备。”尽管目前这些设备并不是中国设计的,但王贻芳说,我国已经摸到了前沿领域的大门,下一步就是成为主角。

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“过去我们参与人家的发现、利用人家的设备,未来也希望能够作为主人自己设计实验方案、实验设备,以我们为主把实验设备做出来,然后在这个基础上取得重大的发现,这才叫做真正的走在国际的前面。”

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为什么要建环形正负电子对撞机?

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从上世纪八十年代中国建造自己的正负电子对撞机开始,在探索“无穷”物质世界的道路上,中国便不再缺席。2023年,江门中微子实验站将开始运行,未来将会与美国DUNE、日本HyperK构成世界三大中微子实验。2025年,位于北京北部的高能同步辐射光源将会投入使用。中国高能物理研究所也正在计划未来建立环形正负电子对撞机。

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环形正负电子对撞机项目投入巨大,一期可能就需要几百亿,对大多数外行人而言,关注焦点似乎都是巨大投入能获得什么成果。“总体来说大家对高能物理还有很多不太了解的地方。”

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王贻芳说,粒子物理学家在未来要去寻找新世界的物理规律,“我们希望通过希格斯粒子研究找到标准模型的破绽,希格斯粒子研究的最佳手段,就是环形正负电子对撞机。但是我们无法向公众,甚至无法向科学界承诺,一定发现一个什么粒子。”王贻芳说,科学如果在开始之前,就承诺一定能发现,那这个发现一定不会那么重大。

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“希格斯是苏格兰一所学校的物理学家,他发现了希格斯粒子,获得了诺贝尔奖,这个发现是在欧洲核子中心做的。对于中国来说,需要有一个像欧洲核子中心这样的研究中心。我们需要追求的,不是得到诺贝尔奖,我也无法保证我们得诺贝尔奖,但是我们可以保证,有了这样一个装置以后,我们会成为世界的科学中心和技术中心,会成为大家追求的目标,或者成为大家向往的一个研究的高地。”

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一代又一代的中国高能物理学家在传承中不断前进。上一代老科学家给王贻芳这一代奠定了北京正负电子对撞机的基础,王贻芳要做的是为下一代奠定基础,他说,当迎来一个很好的转折点和机会的时候如果无所作为,会是我们的严重失职。

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“也许很多成果现在还没有得到应用,但我们所做的,是留给未来的礼物。”

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2028年中国将在空间站上

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实施空间宇宙射线实验

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值得一提的是,王贻芳还在节目中透露,中国在2028年左右,将会把探索宇宙射线的实验装置安装到中国空间站上,用来探究宇宙的诸多奥秘,这将是世界上继AMS(阿尔法磁谱仪计划)以后,最重要的空间宇宙射线实验,简称HERD。

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(原标题:中国高能物理研究想真正走在国际前面,最关键的一步是什么?)

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来源: CCTV4

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孙一震
活跃在2026-2-8
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