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        【中國科學報】“上帝粒子”發現十年: 尋找座位的中國物理學家
        2022-07-25|文章來源: |【
         

           

          黃燕萍在德國電子同步加速器研究所工作期間的留影。 受訪者供圖

           

          高杰辦公室里擺著一張印有“Higgs”(希格斯)的國際研討會海報。受訪者供圖

           

          2006年,陳明水(前排左一)參與陰極條室繆子探測器現場安裝。 受訪者供圖

          ■本報記者 倪思潔

          一個通宵,黃燕萍都排在長隊里。

          2012年7月4日,日內瓦迎來清晨的第一縷曙光。此時的歐洲核子中心(CERN)主禮堂外排著蜿蜒的長隊。等候在此的,是各國物理學家。

          大門一開,他們克制著內心的沖動,以最安靜、文明、有序的方式“搶占”座位。

          作為國際合作組里資歷尚淺的成員,黃燕萍沒想過要占一個更靠前的位置,進門看見后排有座位,便坐了下來。

          上午9點,這里向全世界發出了一條重磅消息:大型強子對撞機的ATLAS(超導環場探測器)和CMS(緊湊繆子線圈)實驗組,發現了被譽為“上帝粒子”的希格斯粒子。

          那一刻,在無形的粒子物理學術世界里,另一道大門也打開了,競爭同樣安靜、文明、扣人心弦。

          不同的是,中國物理學家在嘗試尋找一個更靠前的座位。

          榮耀

          再談起十年前的經歷,黃燕萍依然很開心。當初,CERN禮堂里的榮耀,有一份屬于她。

          2012年5月,黃燕萍從中科院高能物理研究所(以下簡稱高能所)博士后出站,去了威斯康星大學做博士后,并加入該校在CERN大型強子對撞機(LHC)的國際合作組。

          LHC是躺在一條27公里環形隧道里的對撞機。黃燕萍參加的是基于LHC四大探測器之一的ATLAS實驗。ATLAS在英文里有“地圖冊”之意。

          這個探測器能測出對撞出的各種粒子的能量、壽命、電荷等諸多參數。根據這些參數,粒子物理學家就能判斷撞出的是哪些粒子。正因如此,它成為了尋找新粒子的“向導”和“地圖”。

          粒子物理領域還有一張更大的“地圖”——粒子物理標準模型。模型中有61種基本粒子。其中,60種基本粒子逐一被驗證,只剩下一種毫無蹤跡——為粒子提供質量的希格斯粒子。

          黃燕萍怎么也沒想到,她在ATLAS實驗組只工作了兩個月,就成為了最早“看到”希格斯粒子跡象的“幸運者”之一。

          和很多粒子物理學家一樣,這件事讓黃燕萍獲得了繼續研究希格斯粒子的信心。此后,她輾轉于威斯康星大學、CERN、德國電子同步加速器研究所,并最終在2016年回到高能所。如今,成為特聘青年研究員的她帶領高能所ATLAS團隊完成了希格斯粒子性質的最新聯合測量。

          暗潮

          高能所研究員陳明水參與的是CMS實驗。

          相比ATLAS,CMS小很多,它通過更強磁場的線圈,可以更好地測量質子撞擊后所產生的繆子。

          2006年,還是博士研究生的陳明水和幾位同學第一次來到CMS實驗組,為的是把高能所研制的繆子探測器組裝起來并完成調試。

          在希格斯粒子被發現前十年,高能所就在中科院院士陳和生等團隊負責人的領導下,在探測器建造、升級及網格計算方面作出了實質貢獻。

          對于陳明水來說,2012年開啟了一場粒子物理的盛宴。2012年3月8日,我國大亞灣中微子實驗發現了中微子第三種振蕩模式,打開了中微子物理發展的大門;幾個月后,LHC研究團隊發現希格斯粒子,又打開了希格斯粒子研究的大門。

          盛宴開啟后,陳明水能明顯感到,粒子物理學界暗潮涌動,大家都在考慮下一步該怎么走。

          陳明水的人生也跟著潮流一起涌動。他所在的高能所將ATLAS和CMS研究的長期核心科學目標凝練為希格斯粒子自相互作用研究。他自己也成長為高能所CMS組負責人,帶領團隊獲得了希格斯自耦合相關的最新聯合分析結果。

          心結

          除了發現希格斯粒子的兩個主要探測器之外,LHC的其他探測器研究組中也有不少來自中國各大院所和高校的粒子物理學家。

          多年來,作為北京大學物理學院院長,中科院院士高原寧一直帶領著中國團隊參與LHC上另一個探測器的工作——底夸克實驗(LHCb)。

          十年,他見證了中國團隊在LHC國際合作組里的整體發展?!暗?021年,LHC中國組成員已超過500名?!备咴瓕幐嬖V《中國科學報》。

          這樣的發展讓高原寧既高興又擔憂。高興的是LHC中國組正在產生越來越多好的成果,擔憂的是國際同行的目光。中國組的團隊在擴大,成果在增加,但對LHC的實物貢獻卻沒有太大變化。

          從希格斯粒子被發現至今,LHC進行了升級改造和第二輪運行取數,剛剛開始了第三輪運行。這十年,中國組不是沒有實物貢獻,比方說,高能所帶領的中國團隊為LHC加速器升級項目成功研制了新型對撞區超導磁體,并主導了新型高顆粒度高時間分辨探測器項目的研制。但是,這些貢獻與LHC的總投入相比只占1%。

          1%,幾乎成了參與LHC的中國科學家的心結。

          “十年前是1%,十年后還是1%。在國際同行看來,我們就是想‘摘桃子’,他們建好裝置,我們直接用它做物理分析、發表成果?!标惷魉f。

          不僅如此,沒有投入,中國科學家也很難在一個龐大的國際合作體系中擁有話語權?!拔覀冊谔綔y器研制上的投入還很散,不是很有影響力?!备咴瓕幪寡?。

          另一條路

          除了參與國際合作外,十年來,中國粒子物理學家還在嘗試走另一條路——“以我為主”開展希格斯粒子研究的國際合作。

          希格斯粒子的發現,雖然打開了一道無形的大門,卻沒有解決所有困惑。新的疑問和好奇讓全球粒子物理學家產生了一個共同的夢想:建一座能生產希格斯粒子的“工廠”,深入研究希格斯粒子的性質。

          在提出“希格斯工廠”建設思路方面,中國粒子物理學家們走在國際前列。

          2012年9月,以高能所所長、中科院院士王貽芳為代表的中國粒子物理學家,正式提出CEPC-SPPC設想,計劃在中國建設一個周長100公里的、位于地下100多米處的環形對撞機“希格斯工廠”。

          CEPC-SPPC的提出,曾改變許多中國粒子物理學家的人生。高能所研究員高杰就是其中之一。

          高杰曾是法國國家科研中心直線加速器研究所終身研究員,自1992年起,他的研究工作一直聚焦在以發現和研究希格斯粒子為目標的未來正負直線對撞機設計和各種環形對撞機加速器關鍵物理問題探究上。2005年,高杰加入高能所。

          在希格斯粒子宣布被發現之前,物理學家們推測,希格斯粒子可能具有很高的能量,因此,大家更傾向于關注能產生更高對撞能量的正負電子直線對撞機。2010年,高杰成為了亞洲國際直線對撞機(ILC)指導委員會主席,ILC的目標也是尋找和研究希格斯粒子。

          可是,在物理學家確認希格斯粒子能量并沒有預期的那么高之后,環形對撞機的優勢也顯現出來。CEPC-SPPC設想的提出,讓高杰幾乎將全部精力轉向了環形對撞機的研究。

          坐席

          2016年,CEPC-SPPC因為諾獎得主楊振寧等人的反對而引發社會關注。

          就在國內科學與社會領域對“中國該不該建超級對撞機”爭執不下時,2020年,CERN理事會通過《歐洲粒子物理2020戰略》,提出了與CEPC-SPPC類似的計劃,即基于正負電子對撞機的“希格斯工廠”是“優先級最高的未來對撞機項目”,并期望建設能量盡可能高的質子對撞機。

          此時,國際有3個處于競爭狀態的“希格斯工廠”計劃——中國的CEPC-SPPC、日本積極爭取建設的ILC,以及CERN規劃的未來環形對撞機(FCCee)。

          如今,高杰已是CEPC機構委員會副主席、CEPC環形加速器的負責人之一。他用“白熱化”和“爭先恐后”來形容十年來“希格斯工廠”、希格斯粒子研究的國際競爭態勢。

          他告訴《中國科學報》,2018年,CEPC完成了“概念設計報告”,目前已取得重要關鍵技術預研成果和技術瓶頸的突破,今年底將完成“技術設計報告”,隨后進入“工程設計報告”階段,為開工建設做準備。

          作為CEPC的倡導者,王貽芳曾公開說:“中國的粒子物理如果做了CEPC,我就盡到我的責任了,這是從規劃的角度來說。我可能看不到它的重大科學成果,也沒機會在它上面做研究了?!?/p>

          在爭議聲中,明知自己可能沒有機會在CEPC上做研究,他們還是堅持推動CEPC。他們心里憋著一股勁:下一次學術殿堂的大門打開時,中國要在更靠前的位置上,占據一席之地。

        源自《中國科學報》 (2022-07-25 第3版 綜合)原地址;https://paper.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2022/7/370440.shtm


         
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