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王贻芳院士:中国的粒子物理应该从“一席之地”发展到“全面领先”

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  王贻芳,实验高能物理学家,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。 现 任中国科学院高能物理研究所所长,中国科学院大学核科学与技术学院院长。 研究方向为高能物理实验。

  4月7日,学界期待已久的“μ介子反常磁矩实验”首个结果公布:基本粒子μ介子的行为和标准模型理论预言不相符。

  这样的发现可能预示着有50年历史的粒子物理标准模型的预言失败,同时也为μ介子物理领域新物理的发现提供了强有力的证据。

  粒子物理研究是科学的最前沿,也是技术的最前沿,研究意义重大,成果影响深远,然而中国的粒子物理研究整体还处于跟跑或并跑阶段。

  面向未来,我国如何采取更大胆有效的步骤,制定十四五和2035年远景规划?对此,王贻芳院士在《科技导报》第3期发表了以下看法。

  制定未来规划,首先面临的一个核心问题就是定位。

  依据国家对基础研究和科技发展的需求和要求,中国粒子物理研究的基础、队伍、成绩以及国际发展态势,结合十四五规划和2035远景规划、我国经济发展规模及对基础科学的投入比例,并与世界发达国家的投入比例和规模相比较,我们认为中国的粒子物理应该从“一席之地”发展到“全面领先”,成为国际粒子物理的领跑国家。

  否则就对不起国家的投入,也辜负了这个时代和全民的期望,影响中国的国际地位和软实力。

  为实现这个定位,首先,要有具体的目标、正确的思路,系统协调的规划,创新的实验方案,掌握并继续发展相关核心关键技术,组织并培养队伍。

  其次,要争取政府部门、科学界和公众的支持,让他们理解并接受高能物理集中投资的特殊模式,推动项目实施。

  最后,要争取国际同行的支持,制定全球协调的规划,通过互相支持与合作,开展合理竞争,谋求共同发展。

  事实上,日美欧等国家和地区每5~10年都会组织全球科学家,而不仅仅是自己的国家和地区(中国科学家也参加了美欧的规划顾问委员会),讨论制定粒子物理发展规划,以统一科学家与政府部门的意见,大家协调一致,全球共同发展。

  这些规划讨论都是在政府部门指导下,在合理的经费边界内,优化各种项目和方案组合,以实现最大的投资效益,获得最佳科学和技术产出。

  中国科学家也多次组织过粒子物理发展规划研讨,虽然没有形成规范、有约束力的规划文本交给政府部门,但也形成了几次发展路线图,取得一定的共识。

  基于上述定位和前期的讨论意见,面对新的形势和未来发展愿景,笔者提出对未来发展目标和具体规划的思考和建议。

  发展目标

  在高能量方面有重大发展,赶上并超过国际水平。

  在高精度方面有选择地维持部分方向国际领先。

  在中微子振荡方面维持国际领先,开展利用中微子的天体物理研究,以最高灵敏度寻找无中微子双贝塔(beta)衰变。

  在宇宙线研究方面尽快取得重大成果,实现全面领先;积极探索各种暗物质寻找、高能中微子探测等新的实验方案或有选择地参与国际实验。

  理论要引领与支持实验发展,全面掌握关键技术并开辟新方向,积极推动技术转移转化,持续建设和支撑国际领先的多学科通用射线平台。

  具体规划方案

  基于以上目标,应该在各重大方向全面布局,同时合理分配资源,在积极发起国内项目的同时,积极参加国外项目,确保不缺席任何重大突破与成果,全面实现国际领跑。具体规划和方案如下。

  1

  高能量

  1)争取在2035年之前完成建设国际领先的环形正负电子对撞机(CEPC)作为希格斯工厂,成为国际高能研究中心。

  这是粒子物理研究的核心与热点,是标准模型建立过程中最重要的成果产生地,也是突破标准模型的最重要窗口。

  要积极开展CEPC的设计与预研,开展物理研究准备和人才队伍培养与准备,争取在十四五末期开工建设。

  2)积极参与日本国际直线对撞机(ILC)的准备,与欧洲核子中心合作开展未来环形对撞机(FCC-ee)的设计与预研。

  虽然它们与CEPC形成竞争,但在结果明朗之前,要维持各种可能性。良好的合作也是技术交流、争取各国科学家参加CEPC的基础。

  3)积极参与欧洲核子中心大型强子对撞机上的物理研究及加速器和探测器的升级改造。

  这是10年内唯一可以进行希格斯粒子研究的地方,也是培养高能量前沿物理研究人才和相关技术人才的唯一场所。

  应加强投入,拓展研究方向,提高显示度,掌握相关技术,并积极吸引国外同事参加CEPC。

  4)探索未来加速器的各种可能性并开展相关技术研究,包括但不限于等离子体加速正负电子直线对撞机及相关技术研发与验证,用于未来质子对撞机的铁基高温超导磁铁、缪子对撞机的原理研究等。

  2

  高精度

  1)继续运行北京正负电子对撞机(BEPCII)和北京谱仪(BESIII)至2030年左右,争取在十四五结束前完成对加速器的升级改造(BEPCIII),将其在高能区的亮度提高3倍左右

  要继续挖掘和拓展物理潜力,开发新的物理研究方法,在粲物理和轻强子物理研究方面获得更多有显示度的成果,包括轻强子研究,寻找胶子球、多夸克态、混合态等奇异粒子,检验量子色动力学,推动格点量子色动力学发展,精确测量标准模型各种参数,检验其有效性等。

  2)积极参与日本的BELLEII和COMET实验、欧洲的LHCb和Panda实验以及美国的GlueX实验,在味物理、强子物理、弱电理论和量子色动力学精确检验等方面开展研究,拓展研究内容和范围,发挥传统优势,取得重要成果。

  3

  中微子

  1)继续开展基于反应堆的中微子振荡研究,尽快完成江门中微子实验建设。

  争取首先测定中微子质量顺序,将中微子振荡矩阵4个参数的精度提高一个量级,开展超新星中微子、地球中微子和太阳中微子等天体物理研究。

  2)在2030年左右对江门中微子实验进行升级改造,使其成为灵敏度最高的双贝塔衰变实验,以测量中微子绝对质量,判定中微子是马约拉纳粒子还是狄拉克粒子,即中微子是否自身就是其反中微子。

  3)积极参与国际中微子实验,如加速器中微子实验、EXO/nEXO双贝塔衰变实验等,以培养队伍,掌握技术,广交朋友,吸引更多的人参加江门实验。

  4

  宇宙线与暗物质

  1)完成LHAASO实验建设,在宇宙线能谱和成分测量、宇宙线起源和加速机制等方面取得重大成果。以国际最高灵敏度开展伽马天文研究,寻找暗物质粒子。

  2)积极开展切伦科夫望远镜的研制,通过与LHAASO巡天观测相结合的定点观测,大大提升对低能伽马的探测灵敏度和定位精度,开展伽马天文研究。

  探索以合适方式参与国际高能中微子实验,更加深入地理解宇宙线起源和加速机制。

  3)继续参加国际空间站上的AMS实验,参与数据分析和探测器升级改造,在空间进行宇宙线探测研究,测量宇宙线能谱和成分,寻找反物质和暗物质。

  4)积极推动中国空间站上的空间高能宇宙辐射探测设施(HERD)试验,争取在十四五末或十五五初发射。

  以更高精度、接受度和能量范围,测量宇宙线能谱和成分,寻找暗物质粒子。

  5)完成锦屏地下实验室建设,推动PandaX和CDEX继续开展物理分析和探测器升级改造。

  发挥世界最深地下实验室的优势,寻找新实验项目与方案,包括天体物理与无中微子双贝塔衰变实验。

  6)积极参与国际实验,包括意大利的Darkside暗物质实验,美国或韩国的轴子寻找实验等。积极探索新实验的可能性,包括更高灵敏度的暗物质寻找、水下高能中微子实验等。

  5

  理论、技术与其他

  1)积极关注相关领域的发展,包括核物理与核技术、天体物理与宇宙学、量子计算与量子测量、机器学习与大数据、计算与网络等,充分利用其他领域的成果、技术与手段,互相启发与激励,开展交叉研究。

  2)积极推动理论的发展,从弦理论、超对称、场论到各种唯象理论、模型构造、数值模拟与计算等,引领与支持实验发展,吸收并发展新思想和新方法,开拓新领域。

  3)掌握并研发新的加速器与探测器关键技术,满足各类试验装置的需要。拓展新的领域,研发新的技术,引领新的发展方向。

  4)支持重大基础设施平台建设及技术研发,完成北京高能同步辐射光源、上海自由电子激光、中国散裂中子源2期和南方光源的建设,为多学科研究服务,为国民经济、国防建设和人民健康服务。

  5)积极推动技术转移转化,包括辐照设备、射线治癌、基于射线的各类检查设备,如医疗、安检、精密检验、工业CT等,建设科普基地,推动科学普及,吸引年轻人。

  相关措施、准备
与核心技术发展

  为实现以上规划目标,完成相关任务,必须采取有力措施。

  一方面要组织队伍,按规划开展工作,另一方面也要争取政府、公众和科学界的支持,推动有关新项目立项。

  事实上,在过去5~10年的时间里,除了已经立项、正在建设的项目之外,我们分别采取了一些重大措施,开展了以下物理和技术准备工作:

  1)在国际上率先提出“建设环形正负电子对撞机作为希格斯工厂,再升级为质子对撞机”是未来高能物理发展的最佳路线。

  组织国内外的队伍,完成科学目标研究和加速器及探测器的概念设计。经过7年的努力,这个方案被国际社会认可,也成为欧洲核子中心的未来发展路线。

  2)积极推动关键技术预研,包括国内急需的超导高频腔、高功率高效速调管等,取得初步成功。

  特别是在国际上首次实现中温退火工艺,小批量制作成功具有国际领先指标的超导高频腔,可以批量供应上海自由电子激光项目,使其核心关键设备有了国内来源。

  3)在国际上首次提出采用等离子体加速的直线注入器方案,用传统加速器与等离子体加速器结合,克服新加速原理的困难,开辟等离子体加速未来发展的新思路。

  新技术除了可以用于超高能正负电子对撞机之外,也可以用来建造桌面小型电子加速器甚至自由电子激光装置。

  4)在国际上首次提出未来高能质子加速器应该采用高温超导,特别是铁基高温超导技术。组建了国内的产学研合作组,开展联合攻关,取得初步成效。

  研制成功国际最长、性能最好的铁基超导电缆和国际首个铁基超导线圈,验证了其基本技术路线和发展潜力。

  5)开展硅像素探测器及其集成电路读出芯片的研制,分辨率高达3~5 μm,世界最高。

  在此基础上成功研制了用于同步辐射的硅像素探测器,指标超过进口产品,正在建设的北京高能同步辐射光源上首期十几台套此类设备可以实现国产化。

  6)开展了基于微通道板的20吋光电倍增管研制,成功用于江门中微子和LHAASO实验。

  正在研制的高速微通道板型光电倍增管将在国防、安全检查、医疗设备、科学研究等方面有广泛应用,也大大提高了相关企业光电器件的研发能力。

  此外,切伦科夫望远镜、掺锝液体闪烁体等前瞻研究也将为LHAASO和江门中微子实验的后续升级奠定基础。

  (7)积极开展“从0到1”的前瞻技术预研,包括铁基超导材料镀膜的超导高频腔、基于6G通信技术的探测器无线数据传输系统、新型4D晶体量能器、高温超导大型螺线管磁体等。

  可以看到,一方面在CEPC的引领下,关键核心技术的研发蓬勃发展,取得丰硕成果;另一方面,这些技术的应用范围远不止CEPC本身,溢出效应极为明显。

  事实上,国外也看到了这一点,最近欧洲安排了每年2000万欧元的未来环形对撞机(FCC)预研经费,几乎是CEPC过去相关预研经费的10倍。中国提前安排的这些预研有可能很快被追上。

  粒子物理的研究离不开关键技术研发,前瞻的科学需要前瞻的技术,反过来也会推动技术的发展。

  只有在科学上领先的装置,才需要进入技术上的无人区,才会带来丰厚的回报。这是我们追求卓越、追求基础科学世界领先的另一层重要意义。

  本文节选自《科技导报》2021年第3期,原文标题为《探究物质最深层次的物理规律:中国粒子物理发展规划的思考》,欢迎订阅查看。

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