最近，我國新一代正負(fù)電子對撞機(jī)、粒子物理實(shí)驗(yàn)研究利器——超級陶粲裝置關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱中國科大）啟動。

作為國際獨(dú)特的強(qiáng)相互作用研究和電弱精確測量專用平臺，該裝置將在未來20至30年內(nèi)保持我國在陶粲能區(qū)粒子物理實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。

何為超級陶粲裝置？中國科學(xué)院院士、中國科大教授趙政國日前向《中國科學(xué)報(bào)》揭開了它的神秘面紗。

超級陶粲裝置是什么？

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10-18米，這一研究尺度比原子尺寸小8個(gè)量級、比原子核尺寸小4個(gè)量級，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，即一種用來描述自然界中最基本粒子及其相互作用的理論。

在過去的幾十年里，標(biāo)準(zhǔn)模型得到了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，特別是2012年“上帝粒子”的發(fā)現(xiàn)，使得其所預(yù)言的所有基本粒子都被證實(shí)，標(biāo)志著人類對物質(zhì)微觀世界的認(rèn)識達(dá)到空前高度。盡管如此，自然界仍存在一系列基本的科學(xué)問題，如暗物質(zhì)是什么、物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱的起源等依然得不到合理的理論解釋。

趙政國表示，物理學(xué)家普遍認(rèn)為應(yīng)該存在一個(gè)更基本的物理模型，同時(shí)亟待更多精確的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步揭開微觀世界之謎。另外，作為標(biāo)準(zhǔn)模型的組成部分之一，描述強(qiáng)相互作用的量子色動力學(xué)在高能區(qū)得到大量實(shí)驗(yàn)的精確檢驗(yàn)，但低能區(qū)由于量子色動力學(xué)的非微擾特性，在理論和實(shí)驗(yàn)方面均面臨巨大的挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步發(fā)展和完善。

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。正在籌建的超級陶粲裝置是新一代正負(fù)電子對撞機(jī)，它可以使電子和正電子在高速的狀態(tài)下碰撞，產(chǎn)生各種高能粒子。正負(fù)電子對撞機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于可以達(dá)到很高的亮度。亮度即單位時(shí)間內(nèi)、單位面積內(nèi)的對撞事例數(shù)。超級陶粲裝置的設(shè)計(jì)亮度大于0.5×1035每平方厘米每秒，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。

趙政國介紹，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(fù)電子束流并使它們對撞，包括注入器、儲存環(huán)、輸運(yùn)線等；譜儀用來探測對撞產(chǎn)生的各種末態(tài)粒子，包括徑跡探測器、粒子鑒別探測器、電磁量能器和繆子探測器。超級陶粲裝置對撞質(zhì)心能量范圍是20億至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(qiáng)子、各類超子等。

它能干什么？

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(diǎn)的高能加速器，是打造“國之重器”、實(shí)現(xiàn)科技自立自強(qiáng)的應(yīng)有之義。

北京正負(fù)電子對撞機(jī)于1988年首次對撞，是當(dāng)時(shí)世界上唯一在陶輕子對和粲夸克對產(chǎn)生閾附近研究陶粲物理的大型正負(fù)電子對撞實(shí)驗(yàn)裝置，也是在20億至50億電子伏特能量區(qū)域亮度最高的對撞機(jī)。

但趙政國坦言，隨著理論研究的深入，北京正負(fù)電子對撞機(jī)已經(jīng)無法滿足更深層次實(shí)驗(yàn)的條件。超級陶粲裝置相比現(xiàn)有的北京正負(fù)電子對撞機(jī)，其能區(qū)擴(kuò)大了20億電子伏特，設(shè)計(jì)亮度大于0.5×1035每平方厘米每秒，達(dá)到世界最高水平。這也意味著，對于現(xiàn)有裝置需要100天搜集的數(shù)據(jù)，超級陶粲裝置用1天就能完成。

此外，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。超級陶粲裝置正負(fù)電子對撞產(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，為探索微觀世界更深層的理論模型創(chuàng)造契機(jī)。

基礎(chǔ)學(xué)科研究不僅體現(xiàn)一個(gè)國家的科研水平，也是綜合國力的體現(xiàn)。趙政國透露，對于超級陶粲裝置這種大科學(xué)裝置，與之相關(guān)的學(xué)科交叉達(dá)到數(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。這類大科學(xué)裝置的立項(xiàng)一般需要10年以上的論證，完全建成預(yù)計(jì)需要10多年時(shí)間。

為何是中國科大牽頭？

超級陶粲裝置作為最先進(jìn)的大科學(xué)裝置，為何由中國科大團(tuán)隊(duì)牽頭負(fù)責(zé)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，并且選址在安徽合肥？趙政國表示，這是因?yàn)橹袊拼蠛桶不蘸戏视兄锰飒?dú)厚的科研條件和創(chuàng)新土壤。

在學(xué)科設(shè)置方面，中國科大粒子物理與原子核物理學(xué)科擁有雄厚的人才儲備和完整的學(xué)科體系，且在高能粒子物理等相關(guān)專業(yè)有很高的學(xué)術(shù)水平；在研究平臺方面，中國科大擁有國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等，為超級陶粲裝置的關(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，為超級陶粲裝置提供建設(shè)基礎(chǔ)。

超級陶粲裝置關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究團(tuán)隊(duì)由中國科大牽頭、聯(lián)合國內(nèi)多個(gè)高校和研究單位組成，目前已經(jīng)凝聚本領(lǐng)域多個(gè)前沿方向的優(yōu)秀科學(xué)家，完成大量先期研究工作及概念性設(shè)計(jì)報(bào)告。趙政國表示，目前，超級陶粲裝置項(xiàng)目得到國內(nèi)外同行和科學(xué)界的廣泛支持，已有106個(gè)大學(xué)和研究所，包括37家國外研究單位有意愿參加超級陶粲裝置項(xiàng)目的預(yù)研、建設(shè)以及實(shí)驗(yàn)研究。

超級陶粲裝置建成后，將形成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家科學(xué)中心的重要裝置。

“建設(shè)超級陶粲裝置，最大的困難是如何統(tǒng)一意見?！壁w政國坦言，國內(nèi)到底建多大的正負(fù)電子對撞機(jī)，目前學(xué)界還存在爭議，既要綜合考慮國情，又要考慮科研實(shí)力和項(xiàng)目未來前景。他表示，超級陶粲裝置項(xiàng)目自2011年提出，經(jīng)過專家多次討論和論證，才最終統(tǒng)一意見、確定了方向目標(biāo)。（記者 王敏 通訊員 李昀澤）