为创立相对论作出突出贡献贡献生命的科学家家是

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相对论的创立者爱因斯坦是左撇子,发明家富兰克林和科学家牛顿是左撇子,米开朗琪罗、毕加索和贝多
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相对论的创立者爱因斯坦是左撇子,发明家富兰克林和科学家牛顿是左撇子,米开朗琪罗、毕加索和贝多芬也都是左撇子。这表明,创造性研究是左撇子独特的天然禀赋。 以下哪项陈述是上述论证所依赖的假设?(
A.自福特以来的美国总统,除少数几位外都是左撇子 B.左撇子突出的创新研究能力并不是由教育和环境等后天因素决定的 C.20世纪初,中国的父母还在煞费苦心地矫正孩子惯用左手的“坏毛病” D.左撇子具有一定的遗传性,例如,英国女王伊丽莎白和她的母亲都是左撇子请帮忙给出正确答案和分析,谢谢!
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请先输入下方的验证码查看最佳答案科学技术发展极大地推动了社会生产力的进步。阅读下列材料,回答相关问题。材料一牛顿最突出的贡献是在力学方面,他在前人的研究基础上,总结出了机械运动的三个基本定律,还发现了万有引力定律,把地球上物体的力学和天体力学统一到一个基本的力学体系之中,创立了经典力学体系。——中学历史教师用书材料二绝对的空间,就其本性而言,是与外界任何事物无关而且永远是相同和不动的。——牛顿《自然哲学的数学原理》材料三空间、时间不可能离开物质而独立存在,空间的结构和性质取决于物质的分布……物质的存在会使四维时空发生弯曲,万有引力并不是真正的力,而是时空弯曲的表现。如果物质消失,时空就回到平直状态。——爱因斯坦《相对论》材料四他是德国著名物理学家……于1900年提出了量子假说,认为辐射像物质一样,是由具有能量的基本单位量子来实现的。量子论成为20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一。请回答:(1)根据材料一,指出牛顿对建立经典力学所作的主要贡献是什么?(3分)(2)爱因斯坦相对论由哪两个部分组成?(2分)根据材料二、三,结合所学知识,指出相对论对经典力学有何新发展。(1分)(3)材料四中的“他”是谁?(1分)“他”的理论是怎样得到发展和完善的?(2分)这一理论对牛顿经典力学的发展之处是什么?(1分)-乐乐题库
& 经典力学知识点 & “科学技术发展极大地推动了社会生产力的进步...”习题详情
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科学技术发展极大地推动了社会生产力的进步。阅读下列材料,回答相关问题。材料一&牛顿最突出的贡献是在力学方面,他在前人的研究基础上,总结出了机械运动的三个基本定律,还发现了万有引力定律,把地球上物体的力学和天体力学统一到一个基本的力学体系之中,创立了经典力学体系。——中学历史教师用书材料二&绝对的空间,就其本性而言,是与外界任何事物无关而且永远是相同和不动的。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&——牛顿《自然哲学的数学原理》材料三&空间、时间不可能离开物质而独立存在,空间的结构和性质取决于物质的分布……物质的存在会使四维时空发生弯曲,万有引力并不是真正的力,而是时空弯曲的表现。如果物质消失,时空就回到平直状态。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&——爱因斯坦《相对论》材料四&他是德国著名物理学家……于1900年提出了量子假说,认为辐射像物质一样,是由具有能量的基本单位量子来实现的。量子论成为20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一。请回答:(1)根据材料一,指出牛顿对建立经典力学所作的主要贡献是什么?(3分)(2)爱因斯坦相对论由哪两个部分组成?(2分)根据材料二、三,结合所学知识,指出相对论对经典力学有何新发展。(1分)(3)材料四中的“他”是谁?(1分)“他”的理论是怎样得到发展和完善的?(2分)这一理论对牛顿经典力学的发展之处是什么?(1分)&
本题难度:一般
题型:解答题&|&来源:2011-江苏省如皋中学高二第一学期12月质量检测历史试卷
分析与解答
习题“科学技术发展极大地推动了社会生产力的进步。阅读下列材料,回答相关问题。材料一牛顿最突出的贡献是在力学方面,他在前人的研究基础上,总结出了机械运动的三个基本定律,还发现了万有引力定律,把地球上物体的力学和天体力学...”的分析与解答如下所示:
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科学技术发展极大地推动了社会生产力的进步。阅读下列材料,回答相关问题。材料一牛顿最突出的贡献是在力学方面,他在前人的研究基础上,总结出了机械运动的三个基本定律,还发现了万有引力定律,把地球上物体的力学...
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等考点的理解。
因为篇幅有限,只列出部分考点,详细请访问。
相对论与量子论
与“科学技术发展极大地推动了社会生产力的进步。阅读下列材料,回答相关问题。材料一牛顿最突出的贡献是在力学方面,他在前人的研究基础上,总结出了机械运动的三个基本定律,还发现了万有引力定律,把地球上物体的力学和天体力学...”相似的题目:
近代自然科学形成的标志是解析几何、微积分的创立电磁感应现象的发现牛顿力学体系的建立细胞学说的创立
观察下图,据图可以得出西方近代自然科学发展的主要特点是&&&&生活实践经验的总结实用性技术应用性强科学观察、实验的研究方法重视经验综合,轻视理论研究
日,达尔文因病逝世,人们为了表达对他的敬仰,把他埋葬在牛顿的墓旁。下面哪一句话可以最恰当地解释人们的这种做法牛顿把造物主从无生命的认知领域中驱逐出去,而达尔文把造物主从有生命的研究领域中驱逐出去了他继承和发展了牛顿的经典力学,使牛顿的力学体系成为近代最具影响力的力学体系他和牛顿,在同一领域有着惊人的洞察力和坚忍不拔的探究精神进化论对人类文明进程的影响要远远大于牛顿经典力学对人类文明进程的影响
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中国为相对论重离子对撞机(RHIC)国际合作和高能核物理作出重要贡献
随着科学技术的迅速发展,现代高能重离子加速器上开展的核物理实验为研究宇宙早期物质形态提供了一种有效途径。位于美国布鲁克海文国家实验室(BNL)的相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy Ion Collider,简称RHIC)是当前国际上重要的核物理研究大科学装置之一。RIHIC上先后建立了四个国际合作实验组,螺旋径迹探测器(Solenoidal Tracker at RHIC,简称STAR)实验组是其中之一。STAR实验组是一个大型的国际合作组,它由来自12个国家的54科研单位组成,近500位科研人员参加。RHIC的研究基金主要来自美国能源部和多个国际研究机构。中方目前有六家单位参加,由中国科学院上海应用物理研究所、中国科学技术大学、清华大学、华中师范大学、中国科学院近代物理研究所和山东大学构成了STAR-中国组。STAR-中国组在国家自然科学基金委、国家科技部、中国科学院的联合资助和各自单位的大力支持下,由马余刚研究员、陈宏芳教授和程建平教授牵头,黄焕中教授作为美方协调人,组织相关中国科学家队伍为RHIC-STAR承担研制了基于多气隙多电阻板室(MRPC)的大型飞行时间探测器,并且在RHIC实验物理做出了一系列出色的工作(详情见STAR第一期白皮书)。根据STAR-中国组的安排,飞行时间探测器的研制和建设任务主要以中国科大近代物理系与清华大学工程物理系为主,物理分析工作主要以中科院上海应用物理研究所和华中师范大学承担,中国科大、清华大学与中科院近代物理所等也有重要参与。本文集中简述STAR-中国组在探测器研制上的贡献以及对反物质探测的最新研究成果。
图1:位于美国长岛的BNL国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)鸟瞰图。
STAR探测器位于对撞环的6点钟位置。
STAR探测器,是一个具备大接收面积、多径迹事件重建能力的由不同探测子系统构成的一个大型探测器复合装置。探测器主要部件包括时间投影室、桶型飞行时间探测器、电磁量能器等。
RHIC的STAR探测器
图2:STAR探测器示意图
STAR探测器的主要科学目标是寻找被科学家认为的可能大量存在于宇宙大爆炸早期的新物质形态,即夸克-胶子等离子体(Quark Gluon Plasma,简称QGP),并研究极端高温、高密下的强相互作用物质的演化动力学。RHIC从2001年正式运行以来,其第一期已运行了10年,产生了一大批激动人心的科学结果,有多方面的证据支持强耦合状类理想流体状的QGP的存在。
STAR探测器中的桶型飞行时间探测器是由中国国家自然科学基金委、中国科学院和国家科技部等共同资助并由STAR-中国组研制完成的。
中国参与RHIC-STAR
STAR-中国组在RHIC运行前开始与美国BNL商谈合作,至今已十年有余,以下是重要的里程碑:
o1999年,国家自然科学基金委副主任王乃彦院士带队访问美国BNL。华中师范大学和中科院高能物理研究所作为国内首批单位加入STAR国际合作组,当时提出中国组可以为STAR探测器的升级研发基于塑料闪烁体的飞行时间探测器。
o2001年,由沈文庆院士牵头组织中国其他四家单位(中科院上海应用物理所,中国科大,清华大学,中科院近代物理所)正式加入合作组。并在国家基金委主任基金资助下开始了基于多气隙电阻板室(MRPC)技术飞行时间探测器(TOF)的研制,美国STAR合作组也给以了资金和技术上的支持。
o从2001年,RHIC-STAR列入中美高能物理合作会议会谈内容。
o2002年,STAR-中国组提供TOF的样机,在STAR上正式运行、采集数据,并取得了一些重要物理结果。开始发表以STAR-中国组为主的物理论文,包括Phys. Rev. Lett.上的论文,并开始在重要国际会议上作多次报告,包括在Quark Matter大会的大会报告。
o2004年9月,由中国科学院上海应用物理所马余刚研究员牵头、联合中国科大陈宏芳教授、清华大学程建平教授等申请国家自然科学基金委的重大国际合作项目:“STAR相对论核-核碰撞物理研究和飞行时间探测器研制”,提出项目总经费需求1340万。通过了国家自然科学基金委牵头组织的专家评审,会议还邀请中科院、科技部有关领导。但因美方经费还没落实,中方的经费资助也暂不启动。
o2005年12月,美方的“STAR-飞行时间探测器的升级计划”(TOF的配套电子学和集成)获得美国能源部的正式批准。
o2006年4月,美方专家来清华、中科大进行现场的TOF生产和质量控制评审,获得通过。
o2006年6月,国家自然科学基金委正式批准中方科学家在2004年提出的项目申请,以基金委重大国际合作项目资助项目经费460万。
o2006年12月,中国科学院基础局,以知识创新工程形式,资助项目经费440万。
o2007年4月,美方TOF组来清华进行TOF生产年度交流。
o2007年,国家科技部,以973项目课题形式,资助项目经费500余万。到此由中方科学家提出的1300余万的经费需求已得到了落实。
o2009年,STAR-中国组以清华大学与中国科大为主完成了4032块MRPC飞行时间探测器模块,由美国RICE大学组装集成并配备电子学,安装在STAR探测器上。
o2010年,中科院上海应用物理所、美国BNL实验室、美国KENT大学等STAR合作单位发现首个反物质超核-反超氚核,论文发表在SCIENCE 328, 58(2010)上。该成果还入选了“2010年中国科学十大进展”。
o2011年,美国BNL实验室、上海应用物理所等利用时间投影室(Time Projection Chamber:TPC)和由STAR-中国组研制的大型飞行时间探测器(TOF)的STAR数据寻找到了18个反氦4原子核,该原子核是迄今发现了最重的反物质原子核。论文发表在NATURE 473, 353(2011)上。中、美同时发布了关于反氦4发现的新闻。
STAR-中国组的突出贡献
1.STAR探测器升级
为STAR-中国组研制的飞行时间探测器基于多气隙电阻板室(MRPC)技术。MRPC是20世纪90年代后期欧洲核子研究中心(CERN)的LHC-ALICE实验组首先发展起来的新型探测器。受国家自然科学基金委员会资助,中国科大于2000年8月率先在国内开展MRPC研制。先后成功地研制了多种结构的MRPC,其中6气隙的MRPC时间分辨为60ps,对最小电离粒子的探测效率好于95%,达到国际先进水平;双层结构10气隙的MRPC,时间分辨好于50ps,探测效率大于99%,达到国际领先水平。并成功地研制了第一个基于MRPC技术的STAR飞行时间探测器原型TOFr Tray,性能指标达到:平均时间分辨为85ps,探测效率好于90%,好于设计指标。并于2002年10月装入STAR探测器,参加了2003年度氘-金核(质心能量为200GeV/核子)和2004年度金-金核(质心能量为200GeV/核子及62.4GeV/核子)碰撞实验,有效提高了STAR探测器的粒子鉴别本领,对π/K分辨的动量区域由原来的0.6GeV/c扩展到1.6 GeV/c,对π,K/p分辨的动量范围由1.0GeV/c扩展到3 GeV/c。利用MRPC-TOF的数据和时间投影室带电粒子的电离能量损失的数据发展了一种可以鉴别高动量区π介子和质子的新技术,把STAR π探测器介子和质子的鉴别横动量区间扩展到12GeV/c。第一个运用MRPC技术成功运行于大型高能核-核碰撞物理实验的大面积飞行时间探测器,使一些原来很难开展但有重要意义的物理课题有可能进行,并获得了一些重要的物理结果。
2006年4月,由清华大学工程物理系和中国科大近代物理系制作的用于RHIC-STAR-TOF探测器的MRPC通过了美国BNL-STAR合作组组织的批量生产标准的最后评审。MRPC生产稳定,质量越来越好,性能达到指标要求。从2006年开始,STAR大型飞行时间探测器(TOF)在“STAR相对论核-核碰撞物理研究和飞行时间探测器研制”项目框架下,开始制作4032块MRPC。2009年完成制作后,在美国RICE大学集成组装构成了120条tray,并安装在STAR探测器上,覆盖STAR探测器的2π方位角。探测器总体时间分辨率好于100皮秒,效率大于90%。另外,STAR-中国组在探测器运行的在线监测、离线刻度、粒子识别方法和相关物理的研究,发挥了重要的作用。飞行时间探测器完成后,美方专门写信给基金委、科技部、中科院和承担单位,表示了对这项合作的成功高度满意,对中方的研究队伍做了高度的评价。从2010年开始,STAR-TOF正式开始采集数据。由MRPC模块组装构成tray
前期利用飞行时间探测器样机得到的主要物理成果有:开展了基于TOFr粒子鉴别的强子谱和Cronin效应的研究。首次得到在氘-金碰撞与质子-质子碰撞中重味夸克衰变的电子谱。结合低横动量D0粒子谱和高横动量单电子谱,首次给出了氘-金碰撞中双核子质心能量为200GeV/核子下每核子-核子碰撞中粲夸克产生在中快度区的微分截面。开展带电强子横动量谱的研究.通过测量带电强子(π±, p, pbar)的单举不变产额谱,精确测量了粒子的核修正因子Rcp,反粒子/粒子的比率以及p/π的比率等。对氘、氦-3以及它们的反粒子在中横动量区间的不变产额、横动量谱和椭圆流的测量和研究,首次得到了轻核的结合参数B2和B3。开展关于重味夸克产生截面和粲介子D0半轻子衰变道的研究,首次在重离子实验中通过c→μ+X道确定粲夸克(c-cbar)总产生截面,首次在重离子碰撞实验中证实粲夸克截面相对于两体核子-核子碰撞数的标度不变性。首次利用STAR TOF探测器测量粲粒子半轻子衰变的单电子谱碰撞中心度的依赖关系。首次利用STAR TOF探测器观测到单电子谱压低,测量重味夸克能量损失。首次观测到单电子谱的热力学性质与集体流效应不同于轻强子等。
图3:左图为MRPC探测器模块;右图为组装后的TOF样机(3个TOF tray).
图4:左图为单用时间投影室(TPC)的粒子分辨图;右图为利用TOF后的粒子分辨图。
2.STAR-中国组的重要物理贡献
中国组为RHIC-STAR国际合作组提供性能优良的探测器和取得上述TOF样机相关的物理成果之外,近来还在一些重要物理问题上取得了突破性进展,特别是寻找反物质原子核。以下是两点重要的物理贡献。
STAR-中国组在发现第一个反物质超核上的突出贡献
大约80年前,英国物理学家狄拉克首次把反物质概念引入物理学,一开始大家还没有接受。4年后,即1932年安德森在宇宙射线中发现正电子,大家才认识到反物质的存在。接着1955年塞格雷和张伯伦在伯克利实验室发现了反质子,1956年考克等发现了反中子,其它反粒子也在随后的科学实验中被逐渐发现。从此,反物质概念深入人心。原则上,对每个粒子都有其质量相等,电荷相反,自旋相等的反粒子。简言之,物质和反物质是对称的,其所有的性质或是相同或是相反。在这个逻辑下,如果用反质子和反中子代替原子核中的质子和中子的话,就得到一个反原子核。如果再配以反电子,就形成反原子。再用反原子组成反分子,构成反物质。反物质的研究进展激动人心,我们周围是否存在一个反物质世界呢?如果有,怎么探测它呢?过去30年,大量的科学实验尝试在宇宙中寻找反物质信号,包括向天空发射气球探测器,向宇宙空间站发射大型磁谱仪等,但是直到今天,科学家还没有在大自然中观测到反氘核、反氦3核信号。
反物质和普通物质的不对称性是现代物理学的一个基本问题,研究这个不对称的深刻机理是过去几十年的一个热点课题。借助于现代加速器技术,科学家在实验室成功实现了反氢原子捕捉。那么,反奇异夸克核物质呢?位于美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)为这个科学课题提供了探索基地。通过把金核加速到2000亿电子伏特,RHIC对撞出一个迷你宇宙(mini-universe)大爆炸环境,是科学家研究宇宙演化早期物质形态,寻找奇特物质,包括反物质的理想场所。对于反奇异夸克物质的研究,将为科学家研究反物质产生原理提供第一手实验数据。
2010年,RHIC-STAR合作组在反物质探测上取得了重要进展。中国科学院上海应用物理研究所陈金辉博士、马余刚研究员等与STAR合作组的许长补研究员(美国布鲁克海文国家实验室)等其他中、外方科学家紧密合作,在上亿次金原子核进行高能“对对碰”的海量数据中寻找到首个反物质超核的证据。由于STAR大型时间投影室出色的粒子鉴别本领,陈金辉、许长补等发展了复杂的数据分析软件,通过了繁琐的数据分析过程,寻找稀有粒子的踪迹。最终,他们通过重构反氦3和π介子的不变质量谱,探测到第一个反超核粒子——反超氚核。它是由一个反Λ超子和一个反质子、一个反中子聚合形成的束缚态,质量约为20亿电子伏特,寿命约为200皮秒,这是第一个含有反奇异夸克的反物质原子核。该论文发表在SCIENCE 328, 58(2010)上。该成果入选了“2010年中国科学十大进展”。值得一提的是,这是RHIC运行10年以来的第一篇发表在Science上的论文。反超核的发现打开了核素图新维数的大门,对了解物质可能会有前所未有的帮助。理论物理学家认为,反超核等奇特物质可能大量存在于宇宙的婴儿期。这样,在实验室研究反物质,将对深刻理解中子星等星体的构成提供帮助。对于反物质的憧憬,还在于其巨大的应用前景。
对于这些重要发现,德国亥姆霍兹国家研究中心联合会副主席,资深理论物理学家Horst Stoecker教授评价说:“This experimental discovery may have unprecedented consequence for our view of the world. Anti-hypertriton pushes open the door to new dimensions in the nuclear chart: from the normal matter to the antimatter world and to the world of anti-hyper-matter – just a few years ago this would have been viewed as impossible.” (这个实验发现对了解物质可能会有前所未有的帮助。反超氚的发现打开了核素图新维数的大门:从常规物质世界到反物质和反超核物质世界。这在几年前被认为是不可能办到的)。英国卢瑟福实验室主席Mike Charlton评价该工作:“The research is a tour-de-force of analysis and highlights the immense power of modern particle physics detector technologies and techniques ” (该研究结果是实验数据分析的力作,也彰显了现代粒子探测器工艺技术巨大的能力)。由于这项工作,陈金辉博士应邀在三年一度的2009年超核物理国际大会(日本)作大会报告。
图5:从末端(左图)和侧面(右图)看到的反超氚核事件在STAR实验组的主探测器(时间投影室)中的飞行轨迹。图中径迹实线部分为时间投影室记录到的部分,虚线段为延伸到碰撞顶点部分。
图6:入选2010年度中国科学十大进展证书
STAR-中国组在发现迄今最重反物质原子核-反氦4上的突出贡献
2011年,RHIC-STAR国际合作组探测到氦核的反物质粒子——反氦4核。这种新型粒子又名反阿尔法粒子,是迄今为止所能探测到的最重的反物质原子核。STAR国际合作组的该研究成果4月24日在线发表在《自然》(Nature)杂志。值得一题的是,这是RHIC运行11年以来的第一篇发表在Nature上的论文。反氦-4很可能是未来很长一段时间内所能探测到的最重反物质原子核,因为下一个更重的稳定反物质原子核产生的可能性是反氦-4的百万分之一,而以现在的加速器技术几乎不可能实现。
STAR合作组的科学家在接近十亿金核-金核对撞产生的约五千亿个带电粒子里找到了18个反氦核,如图7所示。该反原子核是由两个反质子和两个反中子组成的稳定束缚态,带有两个单位的负电荷,质量约为质子质量的4倍。科学家同时测量了反氦4在原子核对撞中的产生率,发现和夸克统计组合模型所预测的非常接近。在上万亿度的高温快速扩散且存活不足万亿分之一秒的物质中,能实验捕获到由12个反物质夸克组成一个复杂的反物质原子核是一件非常了不起的事情。研究反物质原子核的产生率对很多学科包括寻找宇宙中的新的物理现象,都有着重要的意义。例如,2011年4月即将发射升空的阿尔法磁谱仪(AMS),将安装在国际空间站上去寻找宇宙中的反物质。STAR的测量结果将提供一个定量的背景估计值。
在谈到该发现的意义时,美国能源部科学办公室主任William F. Brinkman说“这一发现充分显示了相对论重离子对撞机(RHIC)在研究物质、反物质和早期宇宙特性的基础研究上的非凡能力”。根据宇宙的大爆炸学说,在大爆炸时产生的正反物质数目应该是相等的,但现在的宇宙基本是由普通物质构成,这依然是物理学上的一个重大谜团,能在实验室中模拟在宇宙早期的环境中产生和研究反物质的工作对解释这具有重大意义。
由中国国家自然科学基金委、中国科技部、中国科学院和美国能源部共同出资研制并于2009年安装在STAR探测器上的“大型飞行时间探测装置”(TOF),在反物质4的鉴别过程中发挥了关键的作用。项目召集人马余刚研究员说:“一方面,该发现依赖于STAR-中国组研制的性能优异的大型飞行时间探测器;另一方面,该发现得益于布鲁克海文国家实验室的物理学家唐爱红带领的团队利用“高阶触发”(High Level Trigger)技术,使得能在海量的数据中实时挑选出含有反物质氦4的碰撞事例”。而在这个技术的实现中,中国科学院上海应用物理研究所的博士生薛亮和中国科学院近代物理研究所的博士生仇浩作出了突出贡献。薛亮还受STAR合作组的指派,在国际高能核物理最重要的系列会议Quark Matter(2011,法国)大会上的分会上做了“Observation of the antimatter helium-4 nucleus at RHIC”的报告。中美TOF合作项目的联系人美国加州大学洛杉矶分校的黄焕中教授说:“寻找反物质氦4和其他奇异物质是TOF项目的立项物理目标之一。SRTAR-中国组不仅出色完成硬件装置,而且此发现为实现TOF的物理目标开启了一个很好的开端。”
STAR-国际合作组现任发言人许怒说“在反氦4核的发现中,STAR的TOF起了不可替代的作用。在TOF的研发、建造过程和数据分析中,STAR-中国组的研究生和老师都起了关键性的作用”。
图7:STAR主探测器时间投影室和飞行时间探测器的三维图,金黄色的径迹代表一个包含反物质氦4的碰撞事例,红色的径迹代表此事例中的反物质氦4。
图8:左图是STAR时间投影室TPC测量的电离能损(纵坐标)和粒子动量(横坐标)关系图。右图是是通过STAR-中国组研制的大型飞行时间探测器所测得的带电粒子质量的一维图。反氦4的质量等于3.73GeV/c2。利用大型飞行时间探测器,可以在10亿次碰撞产生的5000亿条径迹中清晰地分辨出反物质氦4。
在反氦4核的事例选择中,上图中左图显示了通过STAR时间投影室(TPC)的电离能损测得的粒子和反粒子。由于反氦4比反氦3的数量小很多,而电离能损在中高横动量区又类似,只用TPC测量的电离能损(将该分布投影到纵轴)只能在低横动量区分这两种反原子核,无法在产额较高的中高横动量区区分这两种反原子核。而由TOF提供的质量测量能在很大动量范围内将他们清晰地分开,如图中右图所示。另外TOF还提供了一个独立的验证。其实STAR早在2007年的数据中就利用电离能损发现了低横动量区的两个候选事例,但由于没有大面积的TOF,缺少独立的验证,为了保证这一发现绝对可信,并增加统计量,所以直到大面积TOF完全安装运行之后才公布现在的结果。
国家自然科学基金委副主任沈文庆院士评价说,在人类寻找反物质的艰辛历程中,老一辈的中国科学家在这个领域做出了许多杰出的工作,包括已故科学家赵忠尧院士在1930年观测到的狄拉克预言的反电子迹象和王淦昌院士领导的研究小组在1960年发现了反西格马负超子等。这次STAR合作组的反氦4重要发现是STAR合作组是继2010年发现反物质超氚核后的又一重要里程碑的突破性进展,而在这两个重要的科学发现中中国的核物理学家队伍都起到了极为关键的作用,突显了大科学基础研究的国际合作的重要性。
STAR-中国组先后获得了中国国家自然科学基金委、中国科学院、中国科技部和所在单位的关心和经费支持。中美双方共同出资合作研制的STAR大型飞行时间探测器,在反物质氦4的鉴别过程中发挥了关键的作用。这是大科学基础研究国际合作的伟大胜利。
中国参与RHIC国际合作的意义
中国参与RHIC-STAR的国际合作具有重大意义:
1、通过参加STAR国际合作,带动和促进我国科学家进入了重要的微观物质科学前沿研究领域。由于多方面的因素,我国还没有高能重离子对撞机。因此参与该国际合作,与国际一流科学家合作,从高起点出发,拓宽了研究视野;提高了中国核物理科学研究的地位和水平,并产生了一定的国际知名度。
2、促进我国探测器新技术的发展,提高了这一领域技术研发能力。通过承担飞行时间探测器的研发任务,与STAR合作组的美国科学家相互合作,使我国掌握和发展了MRPC技术,并在将来的大型国际合作中找到了合作伙伴。如清华大学工物系将为德国的FAIR-CBM合作组负责低电阻玻璃和高计数率MRPC的研制。同时也正在研发长条的MRPC探测器,将作为STAR的缪子探测器。
3、大力推进了国际高能核物理研究的发展。一方面,RHIC-STAR合作计划的实施促进了我国的高能实验核物理研究的长足进步,包括探测器的研制,蒙特卡洛模拟,数据分析和物理研究等等,同时也极大地推动了理论核物理与RHIC实验的结合。另一方面,也由于STAR-中国组与美方科学家的紧密合作,观测到了首个反超核和最重的反物质原子核(反氦4),从而掀起了寻找反物质原子核的高潮。这对国际高能核物理的发展起到了很好的推动作用。关于“反物质超核”的发现还被中国科技部评为2010年度中国科学十大进展。在中国科学界产生了良好的社会效应。
4、培养和锻炼了一支优秀的研究队伍,特别是培养了一批具有国际合作经历、国际研究见识的高水平的年轻研究骨干。通过联合培养的方式,年轻人迅速融入了国际高能核物理队伍,一些青年才俊已做出了令人瞩目的一流的成果。在STAR-中国组培养的博士生中,一人获得了全国百篇优秀博士论文,两人获得了全国百篇优秀博士论文提名奖,两人获得了中科院优秀博士论文奖,十多人获得了中科院院长优秀奖学金,两人分别是Nature和Science文章的直接贡献者,两人博士毕业后在美国的STAR合作组内发挥领导作用等。
5、实验核物理需要大型的团队,高能核物理更需要一个大型的组织。通过参加国际合作,可以学习、借鉴国际上对大型国际合作项目、大科学实验研究项目的成熟管理方法,使之科研管理更加规范化、高效化。团队内部不仅仅需要精诚的合作,也需要团队内部的竞争性,从而来激发对未知科学的探知。STAR-中国组内部既有任务的明确划分,同时又不局限于任务本身。既团结,又竞争。唯一的目的就是做好国际合作,尽可能做到最小的投入,最大的产出。
6、扩大了我国特色的科学基金在国际上的影响,促进了中美基金组织的交流合作,对将来的相关项目的进一步合作扩大了空间。原STAR发言人Hallman博士升任美国能源部核物理办公室主任,使得基金组织与美方的基金组织的交流和合作更加畅通。
7、多渠道推进国际合作和交流,促使国内高能核物理队伍尽快融入国际化的队伍。在积极参与的合作的同时,STAR-中国组通过举办一系列的国际研讨会,吸引国外的科学家参加,进一步加强多方面的合作。不仅走出去,还请进来。例如,2006年由中国科学院上海应用物理研究所与华中师范大学联合举办的QUARK MATTER 2006大会吸引了500位国外科学家参与,李政道先生作为大会荣誉主席也亲临会场。
8、STAR-中国组的骨干多次担任重要系列会议的国际顾问和STAR组织的一些委员会成员,活跃在国际核物理舞台上。
总之,通过参与RHIC-STAR国际合作,以相对较少的投入为中国科学家在高能核物理实验、理论和计算上取得突出的创新成果提供了一个国际一流水平的平台。STAR-中国组不仅在硬件上为STAR探测器成功升级,为我国的科学家赢得了声誉,而且在物理上更是做出了以我为主的突破性成果。通过这个国际合作,还为我国提供了一个培养世界水平的科技人才、共享物理成果的环境。
在接下来的几年研究中,STAR-中国组将寻找具有重要物理意义的奇特粒子态,特别是由中国科学家张宗烨、何祚庥先生等提出的双Ω重子,还有质量更重的反原子核,如共振态反原子核反锂5及反氦5的可行性。并准备在RHIC二期对撞机升级后的海量数据采集中精确地测量反超氚核的产生截面、质量、衰变寿命等关键物理量,尝试精确测量反超氚核和普通超氚核本征物理量的细微差别,研究反超子和反核子的相互作用势。并通过超核产生的能量扫描测量,获得量子色动力学相变临界点的信息。这些研究将是相对论重离子碰撞物理的前沿研究方向。STAR-中国组也希望在中国基金机构的资助下,进一步参与下一代的RHIC升级计划,如为电子-离子对撞的e-RHIC计划作出探测器研发的贡献。
最后,以美方由BNL实验室副所长Vigdor,物理系主任Ludlam,STAR前发言人Hallman(现任美国能源部核物理办公室主任)联名的贺信中所说的一些评论作为结束语。
“This constitutes a scientific legacy that will impact nuclear science in China and in the world for decades. --这个(合作)构成了将会对中国和世界核科学产生几十年的影响的科学遗产。
…The close cooperation between US and Chinese scientists that was required for this success now serves as a model for future joint U.S.-China scientific ventures. --为项目的成功而开展的中美间的紧密合作现在已经成为以后中美联合科学投资的典范。
…the STAR construction effort in China has been a complete scientific and technical success at every level, and the Chinese TOF team is to be highly congratulated. --在中国进行的这些STAR探测器的建造工作取得了科学上和技术上的巨大成功,衷心的祝贺中国TOF组。”
[1] 马余刚,陈金辉,相对论重离子对撞机上发现首个反物质超核,中国基础科学 )
[2] 中国科学基金,2011,第2期,“2010年度中国科学十大进展简介”
[3]科技导报,2011.3,“2010年度中国重大科学、技术和工程进展”
[4] 马余刚,陈金辉,夸克-胶子等离子体的坦诚及首个反物质超核的发现,科学,2011年3月(63卷2期)
[5] 诺贝尔物理学奖一百年,郭奕玲,沈惠君编著,上海科学普及出版社,2002.8
[6] H. Fuke et al. Search for Cosmic-Ray Antideuterons. Phys. Rev. Lett. 2005, 95 : 081101.
[7] The AMS Collaboration, Search for antihelium in cosmic rays. Phys. Lett. B
: 387-396.
[8] The ALPHA Collaboration, Trapped antihydrogen. Nature : 673-676.
[9] The ATHENA Collaboration, Production and detection of cold antihydrogen atoms. Nature 6-459.
[10] The STAR Collaboration, Experimental and theoretical challenges in the search for the quark-gluon plasma: The STAR Collaboration’s critical assessment of the evidence from RHIC collisions. Nucl. Phys. A 2-183
[11] The STAR Collaboration, Observation of an Antimatter Hypernucleus. Science : 58-62.
[12]J. H. Chen (for the STAR Collaboration), Hypernucleus physics at RHIC, 2009国际超核物理大会报告文集,Nucl. Phys. A 7-120
[13] The STAR Collaboration,Observation of the antimatter helium-4 nucleus, N AT U R E  : 3 5 3-356.
[14]L. Xue (for the STAR Collaboration) , Observation of the antimatter helium-4 nucleus at RHIC, 2011 Quark Matter 国际大会会议文集,arXiv:, Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. (in press).
[15] 中外科学家发现首个反物质超核,源自《科学时报》,
[16] 上亿个对撞中觅得70次踪迹,源自《文汇报》,
[17] 10亿次碰撞揪出“反氦-4”,源自《文汇报》,
[18] 人类想迄今为止最重反物质,源自《解放日报》,
[19] 中外科学家俘获最重反物质原子核反氦4,源自《科学时报》,201,1.5.3
(上海应用物理研究所提供)

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