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为世界重大发现提供中国智慧

行业上下游中国仪表网2012年09月29日 13:35人气:21836

  近来为世界瞩目的中微子实验、希格斯上帝粒子等重大发现中,都有季向东团队成员参与。这个团队吸引了一批优秀科研人才,他们的志向是为世界重大发现提供中国智慧
  
  上海交通大学闵行校区一个普通得不能再普通的实验室里,一台探测器正在运行,仪器上连接的“大罐头”里,装着杂质不能超过亿分之一的液态氙气,每隔几小时就会重新过滤一遍。而一旁的示波器上,则显示着从这个“大罐头”里进进出出的各种粒子,有光子、电子、中子……一旦有新的粒子进入,示波器上就会显示出特别的信号。上海交通大学物理系教授季向东一边指导实验室里的学生如何查看仪器指标,一边告诉记者:“在四川锦屏山2500米深的地下,目前正在安装类似的探测器,而且大很多。在那个由很高的山体、铜、聚乙烯和铅隔绝了外界辐射的实验室里,只要暗物质一现身,就会立刻被捕捉到。”
  
  今年以来为全世界所瞩目的中微子实验、希格斯上帝粒子等重大发现中,都有季向东教授团队的成员参与。这个2009年开始引进的科研团队所在的粒子物理和宇宙物理实验室,不久前被评为上海市重点实验室。“我们研究的最主要目的,就是探索宇宙未知世界。而且,参与国际重大科研项目,在世界重大发现中提供我们中国人的贡献,也可以让大家更多一些仰望星空的兴趣。”季向东教授这样告诉记者。
  
  建一支前沿科学研究团队
  
  在交大物理楼里,拥有凝聚态物理研究所、粒子物理宇宙学研究所、激光等离子体教育部重点实验室等实验中心。团队中有1位两院院士、2位国家“千人计划”特聘专家、2位“长江学者奖励计划”教授、4位国家杰出青年科学基金获得者。这个科研团队研究的,是世界上最极端的两个世界最微观的粒子世界和最宏观的宇宙演变。
  
  过去,上海高校里研究粒子物理和宇宙物理属于小众学科,甚至是边缘学科,但在国际上,粒子物理和宇宙物理却是热门研究领域,因为这些学科虽然在短期内看不出什么实用价值,却是实现人类探索太空梦想和了解身边世界的基础学科。2009年,上海交通大学从美国引进马里兰大学教授、美国核科学中长期计划委员会强子物理分会主席季向东,逐渐组建起了一支研究粒子物理和宇宙科学的团队。
  
  “微观粒子的世界既复杂又简单。”季向东教授说,“简单是因为它们的规律很简单,甚至还没我们所处的世界复杂;复杂则是因为粒子实在太小了,能够发出的信号又太弱了,所以很难发现。如果要研究,一定需要用创新的方法。很多时候,连探测仪器都必须自己发明和制造。”实验室一角放着的一台仪器,就是刘江来教授创新研制的发现中微子振荡的仪器。
  
  研究所的另一个重大研究课题,是研究宇宙的第一缕曙光,即第一代宇宙天体的形成。关于宇宙的演化有很多种猜想,比如宇宙究竟是如何通过大爆炸产生的,宇宙究竟是不是从高维空间逐渐跌落到现在的三维空间的,宇宙之外是否还有宇宙……“这些都只是猜想,必须要有实验去证明。”季向东教授告诉记者:“了解周围的世界,是我们科学前沿研究的主要目的。至于了解了以后如何让知识变成工程和技术,则是另外一回事情。”
  
  为了建设一支完整的研究团队,上海交通大学物理系从2009年起陆续从德国、美国、英国引进了一批从事相关研究的学者。现在这些学者已经开始联合参加国际“液氙合作组”(XENONCollaboration)在意大利GranSasso国家地下实验室进行的暗物质实验。团队还在与国内外合作单位利用液氙技术研制下一代的暗物质探测实验,利用位于四川的中国锦屏山地下实验室开展直接探测暗物质的研究。正在采访时,季向东教授接到了实验室同事从四川打来的电话。“他们正完成初始设备的安装,这两天因为泥石流的影响,设备调试进度放慢了。地下实验室的实验条件非常恶劣,每个人每次只能在地下工作四五个小时就得出来。”季向东教授告诉记者。
  
  既要单独“参战”也要协同创新
  
  季向东教授团队引进的每位学者,既有协同合作的项目,也有各自独立的研究项目,而且基本每个学者都参与一个以上国际重大研究项目。比如来自美国的Karl-LudwigGiboni教授在2010年引进后,就负责暗物质探测团队液氙探测器的建造。而2010年加入的王斌教授,则主要负责“宇宙大尺度结构和星系团”研究;刘江来教授负责研制测量中微子振荡的仪器;杨海军教授则是参与欧洲核子中心的寻找希格斯上帝粒子的实验……“在需要的时候能够凝聚成集团军,在各自的领域里又能够有所突破”,这是季向东教授对自己团队的评价。
  
  现在,这些学者们部分联合起来参与了在南极设置大分辨率望远镜的实验观测星空都需要在晚上进行,而南极极点附近有长达半年的黑夜,可以连续观测,并且南极附近的观测条件非常好,可以设置巡天的高分辨率望远镜。课题组的学者还计划联合参与SKA项目和阿尔法磁谱仪项目。SKA即是南非的平方公里天线阵列实验项目,由数千个较小的碟形天线构成一个公里级的射电望远镜阵列。SKA的灵敏度将达到目前地球上任何射电望远镜阵列的50倍,解析度将是后者的100倍。通过这个射电望远镜阵列,将有望揭示行星的诞生、引力波如何拉伸宇宙的结构、首批形成的星系如何演化以及暗能量的谜团,同时也可用于搜寻地外文明发出的信号。
  
  阿尔法磁谱仪项目则是研究带电粒子和反物质起源的。因为带电粒子在宇宙中“旅行”的时间往往都很长,会受到太空中磁场的影响。因此只有中微子、光子和暗物质这类不带电的粒子不容易受到辐射影响,可以让我们看出来源和旅行轨迹。同样的还有高能的带电粒子,因为能量巨大,所以它的来源和旅行轨迹并不容易改变,这就象我们如果站在树林里看到一片树叶落在我们面前,我们很难判断它是从哪棵树上掉落下来的,但是如果是一颗子弹射在我们面前,我们就能够推断出子弹的来源和轨迹了。“也许在不久的将来,我们可以通过这些粒子的性质了解它的来源,进而了解我们附近的宇宙天体情况。”
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