“超級(jí)陶粲裝置”設(shè)計(jì)效果圖。中國(guó)科大 供圖
“超級(jí)陶粲裝置”這個(gè)新一代“大國(guó)重器”，將在未來(lái)20年至30年內(nèi)保持我國(guó)在陶粲能區(qū)粒子物理實(shí)驗(yàn)研究的世界領(lǐng)先地位，在基礎(chǔ)科學(xué)研究、高新技術(shù)創(chuàng)新和復(fù)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(jí)”？中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科大教授趙政國(guó)日前親自揭開“超級(jí)陶粲裝置”的神秘面紗。
“超級(jí)陶粲裝置”是新一代正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)
隨著科技的發(fā)展，人類在微觀領(lǐng)域的研究尺度已經(jīng)深入到10的負(fù)18次方米。這一研究尺度比原子尺寸小8個(gè)量級(jí)，比原子核的尺寸小4個(gè)量級(jí)，并且成功構(gòu)建了描述微觀世界的基本理論模型——標(biāo)準(zhǔn)模型，一種用來(lái)描述自然界中最基本粒子及其相互作用的理論。
趙政國(guó)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(qiáng)子，輕子包括電子、繆子、陶子及相應(yīng)的3種中微子，以及傳遞電磁力、弱力和強(qiáng)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(duì)物質(zhì)微觀世界的認(rèn)識(shí)達(dá)到空前高度。
基于加速器的粒子物理實(shí)驗(yàn)，是研究微觀物質(zhì)世界最有效的手段之一。該實(shí)驗(yàn)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(duì)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(guò)觀察對(duì)撞產(chǎn)生的粒子及其衰變后的產(chǎn)物，來(lái)研究粒子的特性及與之相關(guān)的基本相互作用。
正在籌建的“超級(jí)陶粲裝置”是新一代正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。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(fù)電子對(duì)撞機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于它可以達(dá)到很高的亮度，高亮度的對(duì)撞聯(lián)合較大的產(chǎn)生截面，有利于觀測(cè)稀有的物理過(guò)程。
據(jù)介紹，“超級(jí)陶粲裝置”主要由加速器和探測(cè)譜儀組成，加速器用來(lái)加速正負(fù)電子束流并使它們對(duì)撞；譜儀用來(lái)探測(cè)對(duì)撞產(chǎn)生的各種末態(tài)粒子?！俺?jí)陶粲裝置”對(duì)撞質(zhì)心能量范圍是20至70億電子伏特，是陶輕子對(duì)和粲夸克對(duì)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(qiáng)子、各類超子等。
搶占世界制高點(diǎn)的高能加速器
在趙政國(guó)看來(lái)，建造一臺(tái)能夠推動(dòng)粒子物理在陶粲能區(qū)研究搶占世界制高點(diǎn)的高能加速器，是打造“國(guó)之重器”實(shí)現(xiàn)科技自立自強(qiáng)的應(yīng)有之義。
目前，歐洲有發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC，美國(guó)有布魯克海文實(shí)驗(yàn)室相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)，日本有正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)B介子工廠superKEKB等。我國(guó)的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)于1988年首次對(duì)撞，是當(dāng)時(shí)世界上唯一在陶輕子和粲夸克對(duì)產(chǎn)生閾附近，研究陶粲物理的大型正負(fù)電子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)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(duì)撞機(jī)，其優(yōu)異性能為我國(guó)開展高能物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了條件，并取得了一批在國(guó)際高能物理界有影響力的重要研究成果。
趙政國(guó)坦言，隨著理論研究的深入，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)滿足更深層次實(shí)驗(yàn)的條件。對(duì)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?！俺?jí)陶粲裝置”相比現(xiàn)有的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，其能區(qū)擴(kuò)大了20億電子伏特。設(shè)計(jì)亮度達(dá)到當(dāng)今世界最高水平，比北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)高出1至2個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著現(xiàn)有裝置100天搜集的數(shù)據(jù)，“超級(jí)陶粲裝置”1天就能完成。
不同的加速器有特定的運(yùn)行能區(qū)，陶粲能區(qū)在粒子物理研究中獨(dú)具特色，有很多實(shí)驗(yàn)值得探究?！俺?jí)陶粲裝置”正負(fù)電子對(duì)撞產(chǎn)生的粒子，可以幫助物理學(xué)家研究低能區(qū)強(qiáng)相互作用的性質(zhì)，如夸克禁閉等；精確檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型，如夸克混合和CP破壞等，同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)模型的新物理信號(hào)，為探索微觀世界更深層的理論模型創(chuàng)造契機(jī)。
與世界上其他能區(qū)的裝置相比，“超級(jí)陶粲裝置”能夠在閾值產(chǎn)生陶輕子和各類強(qiáng)子，具有事例干凈的優(yōu)勢(shì)。
“超級(jí)陶粲裝置”為何選址在安徽？
作為最先進(jìn)的大科學(xué)裝置，“超級(jí)陶粲裝置”為何由中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)牽頭負(fù)責(zé)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，并且預(yù)期選址在安徽合肥？趙政國(guó)說(shuō)，這是因?yàn)橹袊?guó)科大和安徽合肥有著得天獨(dú)厚的科研條件和創(chuàng)新土壤。
“我們有底氣，也有實(shí)力建好‘超級(jí)陶粲裝置’?！壁w政國(guó)介紹，中國(guó)科大建設(shè)“超級(jí)陶粲裝置”有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，在粒子物理與核物理的基礎(chǔ)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(xué)科設(shè)置方面，中國(guó)科大粒子物理與原子核物理學(xué)科實(shí)力強(qiáng)勁，擁有雄厚的人才儲(chǔ)備和完整的學(xué)科體系，且在高能粒子物理等相關(guān)專業(yè)有很強(qiáng)的學(xué)術(shù)水平；在研究平臺(tái)方面，學(xué)校擁有國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等，為“超級(jí)陶粲裝置”的關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研提供技術(shù)支持；在工程隊(duì)伍方面，國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室擁有豐富的大科學(xué)裝置建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和強(qiáng)大的工程隊(duì)伍，為“超級(jí)陶粲裝置”提供建設(shè)基礎(chǔ)。
“超級(jí)陶粲裝置”關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究團(tuán)隊(duì)由中國(guó)科大牽頭、聯(lián)合國(guó)內(nèi)多所高校和研究單位組成，凝聚了本領(lǐng)域多個(gè)前沿方向的優(yōu)秀科學(xué)家，完成了大量先期研究工作及概念性設(shè)計(jì)報(bào)告。目前，該項(xiàng)目已有106所大學(xué)和研究所，包括37所國(guó)外研究單位，表示有意愿參加“超級(jí)陶粲裝置”項(xiàng)目的預(yù)研、建設(shè)以及實(shí)驗(yàn)研究。
趙政國(guó)坦言：“安徽合肥重科研、重創(chuàng)新，是一片創(chuàng)新的沃土?！?/p>
在科研設(shè)施方面，合肥是我國(guó)四大綜合性國(guó)家科學(xué)中心之一。合肥市已經(jīng)建成一系列大科學(xué)裝置，包括同步輻射光源、全超導(dǎo)托卡馬克、穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置等。此外，還有聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施、未來(lái)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)設(shè)施等多個(gè)在建裝置。這些大科學(xué)裝置的集聚必將產(chǎn)生“1+1>2”的協(xié)同效應(yīng)，助力合肥成為具有世界影響力的國(guó)家綜合性科學(xué)中心。
“超級(jí)陶粲裝置”選址在合肥正在規(guī)劃的未來(lái)大科學(xué)城，毗鄰在建的“合肥先進(jìn)光源”，大科學(xué)裝置群的能源、計(jì)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(xué)和技術(shù)研究中心之一，并將成為合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心的重要裝置。
“建設(shè)最大的困難是如何統(tǒng)一意見”
裝置的建設(shè)離不開眾多科學(xué)工作者的無(wú)私奉獻(xiàn)，趙政國(guó)是其中的“牽頭人”，更是“操心者”。
15年前，趙政國(guó)已是世界知名粒子物理實(shí)驗(yàn)學(xué)家，但他毅然全職回國(guó)擔(dān)任母校中國(guó)科大教授。建造“超級(jí)陶粲裝置”的核心驅(qū)動(dòng)力，是他對(duì)粒子物理的濃厚興趣，同時(shí)這一裝置也凝聚了很多代人的努力和夢(mèng)想，在他看來(lái)，推動(dòng)該項(xiàng)目落地是責(zé)任，也是義務(wù)。
“建設(shè)‘超級(jí)陶粲’裝置，最大的困難是如何統(tǒng)一意見?！壁w政國(guó)坦言，國(guó)內(nèi)到底建多大的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，目前學(xué)界還存在爭(zhēng)議，既要綜合考慮國(guó)情，又要考慮科研實(shí)力和項(xiàng)目未來(lái)前景。項(xiàng)目從2011年提出，經(jīng)過(guò)專家多次討論和論證，才最終統(tǒng)一意見、確定方向目標(biāo)。
基礎(chǔ)學(xué)科研究不僅體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家的科研水平，也是綜合國(guó)力的體現(xiàn)。這種大科學(xué)裝置，與之相關(guān)的學(xué)科交叉達(dá)到了數(shù)十種，其采用的創(chuàng)新技術(shù)如超導(dǎo)腔體、納米束流、交叉點(diǎn)反饋等，涉及數(shù)學(xué)、微電子、計(jì)算機(jī)等不同學(xué)科，需要相關(guān)專業(yè)擁有較強(qiáng)的科研能力。
據(jù)介紹，此類大科學(xué)裝置的立項(xiàng)一般需要十年以上的論證，完全建成預(yù)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(xiàng)浩大工程。
趙政國(guó)期待著能有更多青年科技工作者加入這支隊(duì)伍。他向新入學(xué)的中國(guó)科大學(xué)子提出期望，希望他們“做科研要有堅(jiān)韌不拔的意志”。“學(xué)習(xí)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?！畬W(xué)’與‘不學(xué)’有著本質(zhì)的差別，現(xiàn)在學(xué)習(xí)的課程看似沒有用武之地，實(shí)則為日后的科研和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！壁w政國(guó)說(shuō)。
