问题

怎么看待我国科学家捕捉到幽灵粒子这件事?

回答
我国科学家捕捉到“幽灵粒子”事件,指的是我国在高能中微子探测领域取得的重大突破,特别是“江门中微子实验”(JUNO)所取得的进展和未来潜力。这并非我们通常意义上理解的“幽灵”那样超自然的存在,而是指中微子(Neutrino),因其极其难以探测,并且穿透物质的能力极强,经常被形象地比喻为“幽灵粒子”。

要详细看待这件事,我们可以从以下几个方面来展开:

一、 什么是中微子(“幽灵粒子”)?

性质奇特: 中微子是基本粒子的一种,质量极其微小(甚至可能为零),电荷为零,只参与弱相互作用和引力相互作用。这意味着它们几乎不与其他物质发生反应,可以轻易穿过地球、恒星甚至整个宇宙,而不会被阻挡。正因如此,它们才被誉为“幽灵粒子”。
数量庞大: 尽管难以捕捉,但中微子在宇宙中却异常普遍。太阳每秒钟产生数以万亿亿计的中微子,其中有很大一部分会穿过你的身体,而你几乎感觉不到它们的存在。
信息宝库: 正是由于它们不与物质强烈作用的特性,中微子能够携带来自宇宙深处的信息,比如来自超新星爆发核心的信号、来自遥远星系的信息,甚至来自宇宙大爆炸初期的线索。它们就像是来自宇宙深处的“信使”,不受宇宙尘埃或磁场的影响。

二、 我国科学家在这一领域做了什么?

中国在建设和运营高能中微子探测器方面投入了巨大努力和资源,其中最引人注目的就是江门中微子实验(JUNO)。

江门中微子实验(JUNO):
目标宏大: JUNO是目前国际上规模最大、最先进的中微子实验之一,其核心目标是精确测量中微子的质量顺序(即三种中微子质量哪个最大,哪个最小)和太阳中微子振荡参数。这是粒子物理和宇宙学中的两个重大基本问题,解决这些问题将深刻影响我们对物质本质和宇宙演化的理解。
技术创新: JUNO采用了创新的设计和技术。例如,它使用的是超纯的液体闪烁体作为探测介质,能够极其灵敏地捕捉到中微子与探测器材料发生的微弱反应。其内部的10万个超大尺寸、高效率的光电倍增管(PMT)是其“眼睛”,负责捕捉到闪烁体发出的微弱光信号。
选址独特: JUNO选址在广东省江门市地下700米深处,这个深度是为了屏蔽掉宇宙射线等背景干扰,确保探测器能够捕捉到来自远方的微弱中微子信号。
探测的“信号”: 探测中微子并非直接“看到”粒子,而是通过捕捉它们与探测器材料发生相互作用时产生的微弱“副作用”,例如由粒子碰撞激发的闪烁光。这些光信号被大量的PMT捕捉并放大,经过复杂的分析,科学家才能确认其中是否存在中微子信号。
建设历程: JUNO的建设周期长,技术难度高,涉及多个学科和领域的顶尖科学家和工程师的共同努力。从选址、设计、建造到调试,每一步都充满了挑战。

其他重要实验和贡献: 除了JUNO,中国科学家也在其他中微子探测实验中扮演重要角色,积累了丰富的经验,并对中微子物理学的理解做出了贡献。

三、 为什么说这是一个重大突破?

解决基本物理问题: 测量中微子的质量顺序是当前粒子物理学面临的最重要问题之一。如果能确定质量顺序,将为构建更完整的“粒子物理标准模型”提供关键线索,甚至可能揭示超出标准模型的物理规律。
宇宙学意义重大: 中微子是宇宙中仅次于光子的第二大粒子种群,它们在宇宙的形成和演化中扮演着重要角色。精确测量中微子的性质,有助于我们更好地理解宇宙的起源、结构和未来。例如,中微子的质量大小会影响宇宙中大尺度结构的形成。
技术能力的体现: 能够建造和运营如此大规模、高精度的中微子探测器,是中国在基础科学研究领域,特别是在高科技精密仪器研发和大型科学工程建设方面能力的重要体现。这标志着中国在国际高能物理研究领域占据了领先地位。
国际合作典范: 中微子实验通常是国际合作的项目,JUNO也不例外。中国作为主办方和核心力量,与来自世界各地的科学家共同合作,展示了中国科学家开放合作、勇于创新的精神。

四、 这对我们普通人有什么意义?

虽然中微子探测听起来非常“高冷”,似乎与日常生活无关,但这类基础科学研究的意义是深远的:

拓展人类认知边界: 它是在探索物质最深层的奥秘,了解我们所处的宇宙是如何运转的。每一次基础科学的突破,都是人类文明的进步,都可能带来意想不到的应用。
催生新技术和产业: 为了实现这些极端精度的测量,科学家们需要开发新的探测技术、材料、电子学和计算方法。这些技术的进步往往能够转化为新的工业产品和应用,比如在医疗成像、精密测量、信息技术等领域。
培养科技人才: 参与大型科学项目是培养顶尖科技人才的摇篮。这些项目能够吸引和锻炼一批具有创新精神和工程实践能力的科学家和工程师。
提升国家科技实力和国际影响力: 在基础科学领域的领先地位,是衡量一个国家科技实力和综合国力的重要标志。这有助于提升中国的国际竞争力和影响力。

五、 未来展望:

随着JUNO等实验的不断运行和数据分析的深入,我们有理由相信,中国科学家将在中微子物理学领域带来更多激动人心的发现。这些发现将不仅是科学史上的里程碑,也可能为我们打开认识宇宙和物质世界的新窗口。

总结来说,我国科学家捕捉到“幽灵粒子”(中微子)的事件,指的是中国在高能中微子探测领域,特别是通过江门中微子实验(JUNO),在测量中微子质量顺序等基本物理问题上取得了世界级的进展。这是一项具有划时代意义的科学突破,不仅拓展了人类对宇宙的认知,也充分展示了中国在基础科学研究和高科技工程建设方面的实力,是中国科技自信和国际影响力的重要体现。

网友意见

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记者同志科学素养有待提高呀,很多概念都没弄清楚。


首先新闻中提到捕获到了幽灵粒子,其实就是weyl 费米子,但是其实也不是weyl费米子而是具有weyl费米子特性的准粒子。捕获这个词也不恰当,应该是发现了具有weyl费米子特性的electronic crystal。

费米子是满足费米狄拉克统计的粒子,是许多种粒子的统称。一般的费米子有电子,质子。但是费米子的特性可以用一些宏观体系的集体激发态来代替,这就属于凝聚态物理的范畴。凝聚态体系的研究也围绕着“基本粒子”展开——某种材料的激发态在量子化后往往可以近似看做独立运动的“准粒子”。

其次,什么是weyl费米子。Weyl费米子是Weyl提出的满足三维Dirac方程的一类粒子,它具有特定手性,质量为零。曾经有段时间认为weyl费米子就是中微子,后来证明不是的。因为中微子有质量,而weyl费米子没有质量。另外一种等效电子质量为零的材料就是大名鼎鼎的graphene了,也就是石墨烯。但是与石墨烯不一样的是,这次实现的是一种三维的体材料,而石墨烯是一种二维材料,这样它的实用性可能更强。

再次,weyl费米子的发现有什么意义呢?由于这种费米子等效电子质量为零,那么就能极大提高电子的传输效率,这个有点跟石墨烯是一样的。另外一个优点就是它具有拓扑保护的特性,所以鲁棒性更强,这在量子计算机中可以大展拳脚。


其实我本身是搞电磁波的,与这篇文章同时发出的还有一篇science文章,做的工作是在光子晶体中实现了weyl point。这个结构是一个双螺旋二十四面体结构。




光子晶体方向是由凝聚态物理演变过来的。所做的事情是用电磁波的宏观态来模拟一些基本粒子的特性。

双螺旋二十四面体结构元胞如下:

它的能带结构如下:

当打破它的i反转对称时(比如上图元胞中有一个缺陷),就会产生四个weyl points。

右边动量空间里面有四个weyl point。

三维的能带结构是这样的。

weyl point的实现可以为以后三维光学拓扑绝缘体的实现打开了一条道路。

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这个工作分别被两个组独立完成,一个是普林斯顿大学的团队,另外一个组就是中科院的Hong Ding组。两篇文章都提交到了science,但是最终,来自中国的工作被拒了。我觉得可能是因为science编辑较先接收到普林斯顿大学的工作,而两个工作又很相似,所以不好同时发表,所以拒了中科院的工作。但是这也不能否认这个工作的重要性。我看到国外媒体报道的时候,也会提到中国的工作,说这两者是同时独立完成的。

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另外,这个工作绝不是骗经费。我不知道为什么网友只要一看到来自中国的科研工作就会做一些很负面的评价,看到来自其他国家,特别是美国的,就会说美帝是人类的希望。

不可否认,中国的科研起步较慢,在很多方面都跟其他发达国家有些差距。但是中国人非常善于学习,特别是在一些前沿科学上面,是有很重要的地位的,很领先的。中国科学家在近十年有着长足的进展,所以要有信心,要多鼓励而不是讽刺。

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看了一些报道,媒体工作者的关注点竟然是这东西能不能让手机待机时间变长。虽然说理论上确实能够提高手机的待机时间,但是这个不是重点呀。不过也感谢他们这么说,现在把这个工作炒得很热。

References

1.Lu, Ling, John D. Joannopoulos, and Marin Soljačić. "Topological photonics."Nature Photonics 8.11 (2014): 821-829.

2.Lu, Ling, et al. "Weyl points and line nodes in gyroid photonic crystals."Nature photonics 7.4 (2013): 294-299.

3.Lu, Ling, et al. "Experimental observation of Weyl points." Science 349.6248 (2015): 622-624.

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