揭開“超級陶粲裝置”的神秘面紗

“超級陶粲裝置”設計效果圖。中國科大 供圖

“超級陶粲裝置”這個新一代“大國重器”，將在未來20年至30年內(nèi)保持我國在陶粲能區(qū)粒子物理實驗研究的世界領先地位，在基礎科學研究、高新技術創(chuàng)新和復合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)等方面將發(fā)揮重大意義。

何以“超級”?中國科學院院士、中國科大教授趙政國日前親自揭開“超級陶粲裝置”的神秘面紗。

“超級陶粲裝置”是新一代正負電子對撞機

隨著科技的發(fā)展，人類在微觀領域的研究尺度已經(jīng)深入到10的負18次方米。這一研究尺度比原子尺寸小8個量級，比原子核的尺寸小4個量級，并且成功構(gòu)建了描述微觀世界的基本理論模型——標準模型，一種用來描述自然界中最基本粒子及其相互作用的理論。

趙政國介紹，目前人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的基本粒子包括6種夸克、6種輕子，夸克組成強子，輕子包括電子、繆子、陶子及相應的3種中微子，以及傳遞電磁力、弱力和強力的玻色子和賦予基本粒子質(zhì)量的希格斯玻色子(又稱“上帝粒子”)。人類對物質(zhì)微觀世界的認識達到空前高度。

基于加速器的粒子物理實驗，是研究微觀物質(zhì)世界最有效的手段之一。該實驗的基本方法就是賦予粒子束極高的能量，并讓高能量的粒子束對撞產(chǎn)生大量的基本粒子和由基本粒子構(gòu)成的其他粒子(物質(zhì))，通過觀察對撞產(chǎn)生的粒子及其衰變后的產(chǎn)物，來研究粒子的特性及與之相關的基本相互作用。

正在籌建的“超級陶粲裝置”是新一代正負電子對撞機。它可以使電子和正電子在高速的狀態(tài)碰撞，產(chǎn)生各種高能的粒子。正負電子對撞機的優(yōu)點在于它可以達到很高的亮度，高亮度的對撞聯(lián)合較大的產(chǎn)生截面，有利于觀測稀有的物理過程。

據(jù)介紹，“超級陶粲裝置”主要由加速器和探測譜儀組成，加速器用來加速正負電子束流并使它們對撞;譜儀用來探測對撞產(chǎn)生的各種末態(tài)粒子。“超級陶粲裝置”對撞質(zhì)心能量范圍是20至70億電子伏特，是陶輕子對和粲夸克對閾值大量產(chǎn)生的能區(qū)，被稱為陶粲能區(qū)。該能區(qū)可以產(chǎn)生很多重要粒子，如陶輕子、(類)粲夸克偶素、粲強子、各類超子等。

搶占世界制高點的高能加速器

在趙政國看來，建造一臺能夠推動粒子物理在陶粲能區(qū)研究搶占世界制高點的高能加速器，是打造“國之重器”實現(xiàn)科技自立自強的應有之義。

目前，歐洲有發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”的大型強子對撞機LHC，美國有布魯克海文實驗室相對論重離子對撞機，日本有正負電子對撞機B介子工廠superKEKB等。我國的北京正負電子對撞機于1988年首次對撞，是當時世界上唯一在陶輕子和粲夸克對產(chǎn)生閾附近，研究陶粲物理的大型正負電子對撞實驗裝置，也是在20億至50億電子伏特能量區(qū)域亮度最高的對撞機，其優(yōu)異性能為我國開展高能物理實驗創(chuàng)造了條件，并取得了一批在國際高能物理界有影響力的重要研究成果。

趙政國坦言，隨著理論研究的深入，北京正負電子對撞機已經(jīng)無法繼續(xù)滿足更深層次實驗的條件。對于加速器而言，激發(fā)粒子的能量越高，意味著研究層次的深入。“超級陶粲裝置”相比現(xiàn)有的北京正負電子對撞機，其能區(qū)擴大了20億電子伏特。設計亮度達到當今世界最高水平，比北京正負電子對撞機高出1至2個數(shù)量級，這意味著現(xiàn)有裝置100天搜集的數(shù)據(jù)，“超級陶粲裝置”1天就能完成。

不同的加速器有特定的運行能區(qū)，陶粲能區(qū)在粒子物理研究中獨具特色，有很多實驗值得探究。“超級陶粲裝置”正負電子對撞產(chǎn)生的粒子，可以幫助物理學家研究低能區(qū)強相互作用的性質(zhì)，如夸克禁閉等;精確檢驗標準模型，如夸克混合和CP破壞等，同時能夠以極高的敏感度尋找輕子數(shù)不守恒、暗物質(zhì)候選粒子、自由夸克等一些超出標準模型的新物理信號，為探索微觀世界更深層的理論模型創(chuàng)造契機。

與世界上其他能區(qū)的裝置相比，“超級陶粲裝置”能夠在閾值產(chǎn)生陶輕子和各類強子，具有事例干凈的優(yōu)勢。

“超級陶粲裝置”為何選址在安徽?

作為最先進的大科學裝置，“超級陶粲裝置”為何由中國科大團隊牽頭負責關鍵技術攻關，并且預期選址在安徽合肥?趙政國說，這是因為中國科大和安徽合肥有著得天獨厚的科研條件和創(chuàng)新土壤。

“我們有底氣，也有實力建好‘超級陶粲裝置’。”趙政國介紹，中國科大建設“超級陶粲裝置”有著得天獨厚的優(yōu)勢，在粒子物理與核物理的基礎研究中，一代又一代科大人薪火相傳、埋頭深耕，取得了豐碩的研究成果。

在學科設置方面，中國科大粒子物理與原子核物理學科實力強勁，擁有雄厚的人才儲備和完整的學科體系，且在高能粒子物理等相關專業(yè)有很強的學術水平;在研究平臺方面，學校擁有國家同步輻射實驗室、核探測與核電子學國家重點實驗室等，為“超級陶粲裝置”的關鍵技術預研提供技術支持;在工程隊伍方面，國家同步輻射實驗室擁有豐富的大科學裝置建設經(jīng)驗和強大的工程隊伍，為“超級陶粲裝置”提供建設基礎。

“超級陶粲裝置”關鍵技術攻關研究團隊由中國科大牽頭、聯(lián)合國內(nèi)多所高校和研究單位組成，凝聚了本領域多個前沿方向的優(yōu)秀科學家，完成了大量先期研究工作及概念性設計報告。目前，該項目已有106所大學和研究所，包括37所國外研究單位，表示有意愿參加“超級陶粲裝置”項目的預研、建設以及實驗研究。

趙政國坦言：“安徽合肥重科研、重創(chuàng)新，是一片創(chuàng)新的沃土。”

在科研設施方面，合肥是我國四大綜合性國家科學中心之一。合肥市已經(jīng)建成一系列大科學裝置，包括同步輻射光源、全超導托卡馬克、穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置等。此外，還有聚變堆主機關鍵系統(tǒng)綜合研究設施、未來網(wǎng)絡試驗設施等多個在建裝置。這些大科學裝置的集聚必將產(chǎn)生“1+1>2”的協(xié)同效應，助力合肥成為具有世界影響力的國家綜合性科學中心。

“超級陶粲裝置”選址在合肥正在規(guī)劃的未來大科學城，毗鄰在建的“合肥先進光源”，大科學裝置群的能源、計算等資源可以得到更好地保障和分配。建成后，將成為世界上基于加速器的粒子物理前沿科學和技術研究中心之一，并將成為合肥綜合性國家科學中心的重要裝置。

“建設最大的困難是如何統(tǒng)一意見”

裝置的建設離不開眾多科學工作者的無私奉獻，趙政國是其中的“牽頭人”，更是“操心者”。

15年前，趙政國已是世界知名粒子物理實驗學家，但他毅然全職回國擔任母校中國科大教授。建造“超級陶粲裝置”的核心驅(qū)動力，是他對粒子物理的濃厚興趣，同時這一裝置也凝聚了很多代人的努力和夢想，在他看來，推動該項目落地是責任，也是義務。

“建設‘超級陶粲’裝置，最大的困難是如何統(tǒng)一意見。”趙政國坦言，國內(nèi)到底建多大的正負電子對撞機，目前學界還存在爭議，既要綜合考慮國情，又要考慮科研實力和項目未來前景。項目從2011年提出，經(jīng)過專家多次討論和論證，才最終統(tǒng)一意見、確定方向目標。

基礎學科研究不僅體現(xiàn)一個國家的科研水平，也是綜合國力的體現(xiàn)。這種大科學裝置，與之相關的學科交叉達到了數(shù)十種，其采用的創(chuàng)新技術如超導腔體、納米束流、交叉點反饋等，涉及數(shù)學、微電子、計算機等不同學科，需要相關專業(yè)擁有較強的科研能力。

據(jù)介紹，此類大科學裝置的立項一般需要十年以上的論證，完全建成預期要十多年。這期間需要不斷有新的科研工作者投入其中，接力完成這項浩大工程。

趙政國期待著能有更多青年科技工作者加入這支隊伍。他向新入學的中國科大學子提出期望，希望他們“做科研要有堅韌不拔的意志”。“學習的目的并不在于功課上取得高分，而在于培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。‘學’與‘不學’有著本質(zhì)的差別，現(xiàn)在學習的課程看似沒有用武之地，實則為日后的科研和工作打下堅實的基礎。”趙政國說。

(本報記者 陳婉婉 本報通訊員 李昀澤 陳秋實)