探索无穷——物质结构与宇宙

  • 《李政道讲座》助教 黄荐
  • 日期:2020-07-13
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        7月2日下午15:30,第十三期《李政道讲座》第七讲,高能物理研究所的王贻芳院士给同学们带来了主题为:“探索无穷——物质结构和宇宙”的讲座。讲座回顾了粒子物理的研究历程,并对其中的科学问题及大科学装置进行了介绍;分析了粒子物理与宇宙学研究的内在联系及未来规划。

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       第十三期《李政道讲座》第七讲     崔伟教授做嘉宾介绍(图右),王贻芳院士(图左)

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第十三期《李政道讲座》第七讲     王贻芳院士讲座

        首先,王贻芳院士向同学们介绍了物质结构探索研究的内涵及主要成就。探索物质世界的基本组成及相互作用是自然界最基本的科学问题之一。粒子物理又被称为高能物理,是对分子、原子、原子核研究的自然发展与深化。目前粒子物理研究的科学问题主要有四个方面:构成物质世界的基本粒子、粒子之间的相互作用、基本粒子的性质和理解宇宙起源与演化。在粒子物理标准模型框架下开展的研究主要是针对细微问题的完善,在标准模型之外有高能量、高强度及宇宙学三个前沿领域。在寻找构成物质世界的基本元素上,大量科学家进行了上百年的研究。其中,1963年盖尔曼提出的夸克模型最具影响力,指出夸克种类应该有3种。1972年,通过电子轰击质子实验,证实了3种夸克的存在。之后,科学家又陆续发现了其他3种夸克。目前已知的物质世界最“基本”的粒子由6种夸克、6种轻子构成。

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       第十三期《李政道讲座》第七讲  王贻芳院士讲座演示内容

        研究物质结构,离不开大科学装置。北京正负电子对撞机(BEPC)于1984年开工建造,1988年实现首次对撞,是我国高能物理发展的起点和关键。升级改造工程(BEPCⅡ)于2009年完工。BEPCII在运行期间取得了很多重大成果,比如发现多夸克粒子。

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第十三期《李政道讲座》第七讲  王贻芳院士讲座演示内容

        中微子是构成物质世界的最基本单元之一。中微子有奇特特征是只有左旋,这导致了弱作用宇称不守恒。在粒子物理标准模型中,中微子质量为零;但是在宇宙学标准模型中,中微子质量不为零。而中微子振荡的发现表明中微子是有质量的,因此需要对质量进行测量,进而修改粒子物理标准模型。1998年,日本首先在实验中发现了大气中微子振荡;2002年观测到太阳中微子震荡荡。 2012年3月8日,我国在大亚湾反应堆中微子实验中发现了新的中微子振荡。2015年开始筹建的江门中微子实验,对中微子测量的精度将达到全球领先。

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             第十三期《李政道讲座》第七讲  王贻芳院士讲座演示内容

        对于粒子物理的发展方向,王院士也总结了目前的一些猜想。比如,对于基本粒子还能再分么?费米子是否存在更深层的结构?希格斯粒子是基本粒子么?这些需要新的模型、新观念和新证据。这是下一代实验的方向。研究物质间的相互作用,包括已知的引力相互作用,电磁相互作用,弱相互作用和强相互作用,还包括希格斯粒子的非规范作用。研究希格斯粒子的自耦合对研究宇宙起源和形成至关重要。另一方面,在弱电统一、强相互作用、标准模型的研究基础上,是不是有“大统一”的模型存在,也是科学家努力攻克的方向。

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第十三期《李政道讲座》第七讲  王贻芳院士讲座演示内容

        宇宙学的研究与高能物理息息相关。宇宙学中的三个根本问题是:暗物质、反物质及暗能量。王院士对这三个方面的研究思路、实验方式及研究现状进行了梳理,并讲解了粒子物理研究的基本方法及研究范式。

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第十三期《李政道讲座》第七讲  王贻芳院士讲座演示内容

        王院士结合中国在建和运行的如高能宇宙辐射探测设备(HERD)、高海拔宇宙观测站(LHAASO)以及规划中的环形正负电子对撞机等大科学装置,介绍了我国粒子物理和粒子天体物理的现状和规划,同时展望了粒子物理的研究未来。他指出此时是中国发展大科学装置的绝佳时机,现在已经取得了瞩目的成就,未来有望领跑世界。

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       第十三期《李政道讲座》第七讲  王贻芳院士讲座演示内容

        研究基本粒子的尖端技术能够转化为工业、民用技术。报告中介绍了高能所完成的一些技术应用与转化包括核工业应用加速器、医学成像、无损检测、超导磁铁等。

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第十三期《李政道讲座》第七讲  王贻芳院士讲座演示内容

        最后,同学们就环形正负电子对撞机(CEPC)的运行温度,高强度实验分类,人工智能在高能物理中的应用,高能物理研究经费等问题同王贻芳院士进行了讨论。

【嘉宾简介】 王贻芳院士,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,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。1984年,从南京大学毕业后前往瑞士日内瓦的欧洲核子中心,参加物理学家丁肇中领导的L3实验,专业研究高能物理;1991年获得意大利佛罗伦萨大学博士学位;先后在美国麻省理工学院核物理实验室、美国斯坦福大学物理系工作;2001年回到中国,担任中国科学院高能物理研究所研究员;2002年获得国家杰出青年科学基金资助;201238日王贻芳团队实验测得新的中微子振荡模式,该实验入选美国《科学》评选的“2012年十大科学进展”;2015年当选为中国科学院院士,119日获得基础物理学突破奖,是首位获得该奖的中国科学家。2017年出任中国科学院大学核科学与技术学院院长。2019年获得未来科学大奖“物质科学奖”。王贻芳院士是大亚湾实验方案的主要提出者,领导完成其设计、建设与物理研究;提出并领导了江门中微子实验。在正负电子对撞方面,领导了北京正负电子对撞机上新的北京谱仪(BESIII)的设计、建造及前期的研究,提出了在我国建设环形正负电子对撞机的设想。