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【数理人文】专访:诺奖得主谢尔顿·格拉肖作为标准模型创始人之一谈对撞机
文章来源:数理人文  2016-10-02
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受访者简介:谢尔顿·李·格拉肖(Sheldon Lee Glashow),著名理论物理学家,他担任哈佛大学Higgins物理学教授至2000年,之后担任波士顿大学Metcalf数学与物理学教授至今。他是粒子物理学标准模型的一位主要创建者,是一位卓越的现代物理学大师。1979年,他因为“对统一基本粒子弱相互作用与电磁相互作用理论的贡献,以及对弱中性流的预言” 与阿卜杜·萨拉姆、史蒂芬·温伯格共同获得诺贝尔物理学奖。他对粒子物理领域做出了多项意义深远的卓越贡献,其中还包括发现GIM机制、预言第四种夸克——粲夸克、和提出乔治-格拉肖SU(5) 大统一模型,等等。

  采访者简介:何红建,清华大学物理学教授,长期从事粒子物理、宇宙学、量子引力及其交叉领域的研究。

  【本文为采访内容记录,由鲜于中之博士将英文稿翻译成中文,将由《数理人文》杂志和 ICCM Notices 刊登中英文版,转载请注明出处。】

  问1:格拉肖教授,我们非常高兴采访您,并与您讨论粒子物理的未来发展计划,特别是中国建造 CEPC/SPPC对撞机的提议、以及相关的公开争论,您可能已经听说。您愿意和中国公众分享您的看法吗?

  答1:中国计划启动的CEPC/SPPC项目极富雄心和令人振奋,而我们十分尊重的同事杨振宁居然出乎意料地公开反对,我对此感到震惊。普朗克曾说,科学的每一次进步将伴随着一场反对者的葬礼[注1],他或许是对的。

  问2:最近我重新读了您的文章“关于美国粒子物理学的个人看法”[1]。这篇很有见地的文章讨论了美国高能物理的前景。您谈到,您希望您的国家(以及您所在的大学)能够继续积极参与CERN的LHC实验。这也是我们中国的计划。LHC的第二轮运行以13TeV的能量进行质子-质子对撞,目前进展顺利。它的每个探测器至今已经收集到积分亮度达28/fb的数据,差不多是第二轮运行计划收集全部数据的10%。虽然八月份的国际高能物理会议(ICHEP)上并没有发布新物理发现,您愿意和我们分享您如何看待正在运行的大型强子对撞机LHC上可能出现(或不出现)的新发现吗?

  答2:LHC目前尚未找到超出标准模型新物理的任何迹象,这很令人失望且大出我的意料。不过,高能物理实验学家和理论家的热情与专注仍然丝毫未受影响。目前LHC只获得了第二轮运行全部数据的10%,所以仍然可以预期,今后会出现令人惊喜的新发现,如果不是在LHC第二轮运行中出现,那就是在未来更高亮度或更高能量的升级阶段。对于中国、美国以及其它CERN成员国的物理学家而言,在今后一二十年内,LHC仍是粒子物理潜在新发现的前沿阵地。真正的大问题是,再往后怎么办。

  问3:我们很高兴您在您的文章[1]中强调了精确测量的重要性。您谈道[1]:“虽然全球下一代巨型对撞机不太可能在美国建造,但是我希望我们会热切参与任何明智的未来国际合作项目。”由于LHC上的质子对撞无法精确测量希格斯玻色子的性质,您是否认为建造中国提议的CEPC这样的希格斯工厂(正负电子对撞机)[2]至关重要?我们记得您数次访问中国,包括今年秋天。您如何看待中国的CEPC计划呢?

  答3:通过我对中国的数次访问,我感受到了中国的飞速发展。我上个月到过成都。25年前我的孩子们到访时,它还只是一个宜人的小城。如今,成都已经成为一座拥有1400万人口的大都市!我很高兴参观大熊猫培育中心,不过那时我还不知道很有前途的PandaX(熊猫X)项目。如果知道,我应该要去参观的。是的!我们需要一座希格斯工厂,来确认LHC发现的那个粒子是否具有单希格斯标准模型所预期的性质。中国主持的CEPC与日本主持的ILC具有相近的能量与亮度:为了粒子物理学的健康发展,这两个项目中至少一个是必需的。这两台机器还能提供Z粒子衰变模式、以及更高能量上关于W/Z粒子耦合常数的精确数据,甚至还有可能发现逃出了LHC搜寻的新粒子。但最重要的是,CEPC是通向宏伟的SPPC项目的必经之路。

  问4:关于美国超导超级对撞机(SSC)的历史教训,也许您读过您的同事史蒂芬·温伯格在2012年为纽约书评杂志撰写的文章《大科学的危机》[3]?这个月初,我们推荐中国媒体发表了该文中译版[3]。美国国会于1993年取消SSC项目对于美国以及国际高能物理学界是巨大的损失,尽管在同一个德克萨斯州提议的空间站项目在此期间获得了资助(其费用几乎是SSC项目的10倍)[3]。这看来对美国乃至全球高能物理界产生了严重的负面影响。一方面,SSC设计在40TeV的质心系能量进行质子-质子对撞,是位于日内瓦欧洲核子中心CERN的LHC目前第二轮运行能量(13TeV)的三倍。所以,LHC第二轮运行迄今未发现任何超出标准模型的新物理,也并不意外,因为我们都知道,具有40TeV对撞能量的SSC正是被设计成一台更可靠地确保在TeV能区发现新物理的机器。许多物理学家认为,如果SSC没有在1993年终止,它很可能已经做出了革命性的新发现,从而指明了21世纪基础物理学发展的新方向。由于您亲眼目睹了SSC以及后来LHC发展的历程,您愿意与中国学界和公众分享关于SSC与LHC的历史经验和教训吗?

  答4:SSC的对撞能量是经过许多杰出物理学家(包括实验家和理论家)慎重考虑的。大家一致同意,其质心系能量至少要达到40TeV,以保证超出标准模型的新发现。我所记得的是,当SSC被美国国会取消后,CERN迅速而非常幸运地提出了20TeV LHC的最初计划,但后来逐渐从SSC的理想能量的1/2降到1/3。CERN发现希格斯粒子的辉煌成就自然不可否认,但是新物理至今仍未在LHC现身也丝毫不奇怪:LHC本来不曾被设计为一台超越标准模型的机器。SSC的中止对美国高能物理学的影响是灾难性的。我们国家从1953年Cosmotron开始运行以来就主导了高能物理学的发展,直到2011年Tevatron结束运行为止。在可见的未来,我们没有任何建造前沿粒子加速器的计划。我希望我们国会变幻无常、难以预料的行事风格不会排除美国参与长期大型国际科学项目,包括我们渴望的CEPC和SPPC。

  问5:也许您已经听说了中国建造“巨型对撞机”的计划[2]。它的第一阶段称为CEPC,是一台周长约100千米、能量为250GeV的正负电子对撞机。之后,还有可能开展的第二阶段将是一台能量可达100TeV的质子对撞机。我们很高兴地告诉您,在中国高能物理学会于8月20-21日举行的“高能物理战略研讨会”上,这一提议已被正式列为“高能物理首选项目”。事实上,尽管CERN在今后15-20年内主要忙于LHC的第二轮运行以及接下来的LHC升级,CERN也正在对一个类似的对撞机方案积极进行预研,即FCC(未来环形对撞机)。绝大多数国际同行认为这是高能物理下一步发展很有希望的方向。——您愿意与中国学界和公众分享您对CEPC项目的看法吗?此外,也请您谈谈中国高能物理学发展的状况与成就,包括过去与当前的主要实验,比如BEPC正负电子对撞机、大亚湾与江门中微子实验、以及锦屏极深地下实验室的PandaX暗物质实验,等等。

  答5:我对中国巨型对撞机项目相当了解,我很高兴该项目已成为中国粒子物理学家的优先计划项目。我强烈支持第一期计划,即CEPC项目;我还更加支持下一步SPPC巨型对撞机这个集大成的项目。我知道CERN也在考虑未来环形对撞机。但对于启动此类项目,我相信中国的财政状况比欧洲好得多。我希望包括欧盟和美国在内的许多国家能够与中国一同参与CEPC和SPPC的建设与运行。

  中国在粒子物理学已经取得了巨大进步!包括多国参与的大亚湾实验首次测量到θ13混合角,这是真正重要的发现,而之前许多其他国家(比如法国)均未取得成功。江门实验将很快对中微子振荡进行进一步的精确研究,预期将解决中微子质量排序的重大问题。中国在世界上最深的地下实验室建造一系列灵敏度不断提高的PandaX液氙探测器,由此进入了寻找暗物质的全球竞赛。时至今年(2016),PandaX-II已经取得了世界上最强的暗物质探测限制[5]。PandaX的未来计划将大大提高探测灵敏度。还有,BEPC II最近已经创造了2—4 GeV能区正负电子对撞亮度的世界纪录。它的新探测器BES III已经取得了多个激动人心的实验结果,包括发现新粒子Z_c (3900),预计将继续发现更多的新粒子态。总之,中国粒子物理学领域经历了一段非凡的迅猛进步,这对于中国主持巨型对撞机项目是极为适合而必要的。

  问6:您很可能已经知道中国就是否应当建造巨型对撞机正在进行公开辩论。这场争论是94岁的美籍华裔理论物理学家杨振宁(1957年诺奖得主之一,1997年退休)于9月初挑起的。他历来强烈反对中国的任何对撞机项目,包括目前由高能所所长王贻芳领导的CEPC-SPPC项目[2]。下面附上杨的公开文章的英译版,以及中国日报对杨、王争论的总结。很显然,杨的反对主要是说这个项目对中国来说花费太高。(据中国高能所团队的估计,CEPC实际上在为期10年的建造中的总花费大约是60亿美元)。杨的误解之一在于,他强调的是第二阶段质子对撞的花费,预计在2040年代建造。(人们应该还记得,位于CERN的同一隧道的LEP和LHC是先后分别获得审核与批准的。)对于中国来讲,您的独立观点和来自国际上的建议将非常有帮助。您认为对CEPC投资值得吗?这种国际合作项目对全世界和对中国社会将做出什么贡献呢?

  答6:不用说,我不同意杨振宁:

  1) 中国完全有能力资助它所提出的这台设备的建设和运行。

  2) 中国仅仅获得了一个诺贝尔科学奖,中国想要更多。许多诺贝尔奖在过去都颁给了粒子物理学家,未来还会如此。CEPC和SPPC将会使中国成为粒子物理学的世界中心。

  3) 理解我们生于其中的周遭世界是我们的责任。既然其他人难以做到,那么现在对于中国人来说是一个机会和责任来接受这个挑战。

  4) 基础物理学影响并改变社会:全球GDP的三分之一都要依靠量子力学:万维网是由粒子物理学家为他们自己研发的。在医学扫描方面:计算机断层扫描CAT为两位粒子物理学家赢得了诺贝尔奖;核磁共振成像MRI(以及其所依赖的核能)则是核物理的副产品,正电子发射计算机断层扫描PET需要正电子。而工业与医用加速器都是价值亿万美元的产业……还需要我继续说下去吗?

  5) 科学向来是国际化的。正如CERN LHC、LIGO、HUBBLE等等项目一样,CEPC和SPPC两者都会通过中国的主持和国际力量参与,将这种国际合作的传统继续下去。

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