你想提的问题,听听王贻芳院士怎么回答 | 墨子沙龙

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小编采访王院士追问当下热点话题中微子?对撞机?你想知道的王院士都作了回答,赶快来看看吧。

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1
您能否科普一下在大亚湾进行的中微子实验的最新进展(三种中微子之间的振荡)?


在大亚湾进行的中微子实验,主要是测量中微子的振荡性质,就是从一种中微子变成另外一种中微子。我们知道世界上共有三种中微子,中微子有一个非常特殊的性质,它可以发生所谓的振荡,在飞行的过程当中,从一种中微子,可以变成另外一种中微子,我们现在测量的就是这样一种振荡的性质,就是变化的几率到底是多少?从我们2012年第一次看到有这种形式的振荡以后呢,现在不断地在提高它的精度,从过去的20%的精度,提高到现在大约4%,这样的话,我们对振荡的过程,有了更精确的一个了解。



2
这些观测结果对目前基础物理研究的意义是什么?


中微子振荡跟我们整个宇宙当中的很多事情都是有关系的,特别是宇宙的演化过程,和宇宙大尺度结构的形成,这个数值的精确测量,有几个方面的意义,第一个是首先是确定了存在这样一种振荡,基本的一个物理过程。第二个是它把这个基本参数测量出来,这个基本参数有非常重要的意义,比如说我们现在跟日本的一个T2K实验做一个联合的分析,我们会给出中微子振荡另外一个基本参数叫做CP项角,这个参数现在大约有可能在负的90度左右,所以这也是一个非常重要的对中微子未知参数测量的一个指引。第三个非常重要的意义就是,它这个参数的大小,使得我们对未来中微子实验的设计有一个指引,也就是说这个参数如果大,那么我们是一种实验方法,如果小的话,肯定也有不同的实验参数,不同的实验方法。如果再特别小的话,那很可能没有办法做了,所以我们需要知道这个参数,这样我们知道未来中微子实验应该怎么走,往哪走?


3
环形正负电子对撞机(CEPC)这个科学装置的物理目的是什么?


它最主要的物理目标是精确测量Higgs粒子的性质,我们知道Higgs粒子是2012年在欧洲核子中心被发现的,这个粒子是我们现在已经知道的标准模型当中的最后一个没有被发现的粒子,它的发现使得我们标准模型当中整个粒子家族就完备了。但问题在于,我们还有很多很多的未知在里面,第一个就是,Higgs粒子一个是非常奇怪的粒子,它是到目前为止,我们所有的基本粒子当中,都不是像它这样的,比如说它的这个自旋为零,所有其他的粒子的自旋都不为零,自旋为零的粒子在我们目前的物理学当中有很多例子,但这些自旋为零的粒子都是属于复合例子,不是基本粒子,我们现在很怀疑,Higgs粒子到底是不是基本粒子,还是复合粒子。


那么还有就是,Higgs粒子它有非常特殊的自相互作用的性质,和汤川耦合的性质,那么这些都是在以前的基本粒子当中没有,也就是说它的参与的相互作用,都不是所谓的规范相互作用,其他所有的基本粒子参与的,都可以用一个规范相互作用来描述,所以它有很多很奇怪的性质,我们以前没有见过的,所以我们需要把它搞清楚,测量清楚。


第二个大的方面就是,我们知道标准模型,它实际上不是一个最终的理论模型,它是一个所谓的低能下的有效理论,有很多很奇怪的性质,我们现在不知道。比如说我们知道标准模型当中,有几十种所谓的基本粒子,这些基本粒子的质量之间,相差了10的13次方倍,所以我们很难想象,同一类的东西,它的质量会差到这么大。打一个比方,如果都是哺乳动物的话,它大致个头差个10倍,差100倍,也许差1000倍,但是不可能差到10的13次方倍,所以这个基本粒子家族的质量,相差了10的13次方倍,是一个很难让人理解的事情。


第二问题就是,Higgs粒子的质量,我们不知道它为什么这么低,按照现有的理论来看的话,Higgs粒子的质量,是两个大数的相加,这两个数字是Higgs粒子质量的10的43次方倍,两个10的43次方倍的数相减,减出了10的43次方之分之一的这样一个数字,这很难让人理解。



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另外,比如说按照现在的标准模型,我们所处的真空,是一个叫做亚稳态,所谓亚稳态就相当于一个球在一个山顶上,你把一个球放在山顶上,它可能有某一个瞬间的呆住,但是过一会儿它一定是滚下来的,所以所谓亚稳态是很难让人理解的,这个真空是这样一个状态,所以大家相信,它背后一定还有新的物理现象,物理规律,物理过程在里面。


那么,另外比如说标准模型,它不能够描述暗物质粒子,标准模型里面不能解释宇宙当中为什么没有反物质等,所以有很多问题,实际上都是我们不知道的,而这些问题都跟质量有关,Higgs是给了这些粒子的质量,所以未来新物理的突破口在很大的程度上,应该说从Higgs这儿去找,所以我们觉得对于粒子物理的未来发展,Higgs是一个最好的窗口和突破口,所以精确测量Higgs粒子是粒子物理未来发展一个不可跨越的一步,必须要做的,我们今天不做,以后会有别人做,反正是要做。



4
从大亚湾的中微子实验到加速器实验,这之间有什么物理上的联系吗?



物理上来说,中微子也好,加速器实验也好,都是在标准模型的框架之下,应该说最近的五年到十年,粒子物理研究最重要的两个方面,就是Higgs粒子的研究和中微子,所以这都是标准模型当中两个最主要的问题。刚才已经解释了Higgs粒子的问题,中微子也有很多问题,比如说中微子是我们通过实验发现它是有质量的,但是在标准模型当中,我们不知道怎么把一个有质量的中微子这样一个粒子,在里面把它描述出来,过去的标准模型都是说中微子质量为零,那么不为零以后,我们实际上到现在为止都不知道怎么办,所以这也是另外一个方面说,标准模型不是一个完备的、终极的一个理论,有很多问题需要去解决,去研究的,所以说这是两个粒子物理方面最重要的发展方向和研究的突破口。




5
提到上帝粒子(Higgs),我们知道LHC已经能够产生并且测量Higgs. 相比LHC而言,CEPC有什么优势?同时与国际上其它项目, 例如国际直线加速器(ILC), 相比有什么优势和劣势呢?



粒子物理的研究,最主要的还是要解决,我们未知的所谓科学问题,所以发现粒子是非常重要的方面,但不是全部,打一个简单的比方就是,我们中微子发现以后,我们得了一个诺贝尔奖,那么这之后又给了三个诺贝尔奖,给了中微子的研究。所以说不是说一个粒子被发现了这个问题就完了,所以最重要的是搞清楚这里边物理过程是什么,刚才已经解释了Higgs粒子有很多的问题没有被解决,所以我们需要仔细去研究它,那么研究它的问题,这里面最重要的一个方面就是精度,要提高我们测量Higgs粒子各种性质的一个精度,那么在LHC上面,它大部分的测量精度,大约在10%左右,那么我们在CEPC上面,可以达到1%左右,所以差不多是10倍,那么这样一个10倍的精度提高,使得我们对Higgs粒子的性质,会有更加深入了解,按照我们现在的一些理论模型的预测,猜想等等,很多新物理都应该是在超出百分之几的规模,那么10%是显然不够的,这样一个精度,所以我们需要达到1%的精度研究Higgs粒子,这是关于跟LHC的比较。


那么跟ILC的比较,一个就是我们可能会同时建,也可能我们比ILC晚一点,看我们国家最后的决策是什么?我们希望是能够同时建或者甚至更早一点,这里面它的性质,一个是CEPC的对撞以后,产生的Higgs粒子数,会比ILC高3倍左右,所以它的精度就会比它要高一些,因为我的数据量比它大,那么劣势就是CEPC它的能量是在250个GeV,刚好能够产生Higgs粒子,那么ILC可以到500个GeV能量比我们高大概1倍,但实际上并不是说能量越高越好,它应该在一个特定的位置,有大量所谓的特征粒子产生,如果没有这种特征粒子产生,能量高了是没有用,那么到了500个GeV,按照我们现在的理解,特别是从LHC的实验来看的话,到500个GeV,不太像有新粒子的迹象,所以如果到500个GeV,没有什么新粒子的话,那能量高得太多,也没有太大的意义,核心还是在有粒子的地方去做精确测量,所以250GeV是这里的关键,那也就是说我们的CEPC在这个地方,可以比ILC测得好,它能量即使高一点,也不见得有太大的优势。


而另外一个就是,我们能量再低一点,在Z粒子的峰值上面,在90个GeV上面,我们的亮度,或者我们的事例率会比ILC高好几个亮级,这个对于精确测量Z粒子的性质,和把Z粒子和Higgs粒子精确测量的性质,把它做一个统一的联合分析,非常重要,因为所有的东西,都在标准模型的框架下,所以你做联合测量,它的精度会有更重要的意义。


当然ILC在380GeV上有新的测量点,跟我们是不一样的,就是我们做不到,但是按照现在的分析的话,这个点相对来说跟90个GeV和250个GeV来相比,相对不那么重要。




来源:墨子沙龙 公众号MiciusSalon


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