揭開“超級陶粲裝置”的神秘面紗

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最近，我國新一代正負電子對撞機、粒子物理實驗研究利器——超級陶粲裝置關鍵技術攻關項目在中國科大啟動。作為國際獨特的強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年至30年內保持我國在陶粲能區粒子物理實驗研究的世界領先地位，帶動相應高新技術發展，在基礎科學研究、高新技術創新和復合型創新人才培養等方面具有重大意義。

何為“超級陶粲裝置”？中國科學院院士、中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）教授趙政國日前揭開“超級陶粲裝置”的神秘面紗。

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“超級陶璨裝置”設計效果圖 中國科大供圖

“超級陶粲裝置”是什么？

隨著科技的發展，人類在微觀領域的研究尺度已經深入到10至18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，目前人類已經發現的基本粒子包括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量的希格斯玻色子（又稱“上帝粒子”），它們的性質和相互作用由包含規范對稱性的量子場論描述。

在過去的幾十年時間里，標準模型得到大量實驗驗證，特別是2012年“上帝粒子”的發現，使得其所預言的所有基本粒子都被證實，標志著人類對物質微觀世界的認識達到空前高度。盡管如此，自然界仍存在一系列基本的科學問題，如暗物質是什么、物質-反物質不對稱的起源等依然得不到合理的理論解釋。趙政國透露，物理學家普遍認為應該存在一個更基本的物理模型，而標準模型只是該基本模型在現有實驗所能達到能標的有效近似，亟待更多精確的實驗來進一步揭開微觀世界之謎。另外，作為標準模型的組成部分之一，描述強相互作用的量子色動力學在高能區得到大量實驗的精確檢驗，但低能區由于量子色動力學的非微擾特性，在理論和實驗方面均存在巨大的挑戰，需要進一步的發展和完善。

基于加速器的粒子物理實驗，是研究微觀物質世界最有效的手段之一，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生大量的基本粒子和由基本粒子構成的其他粒子(物質), 通過觀察對撞產生的粒子及其衰變后的產物，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碰撞（速度大于光速的99.9%），產生各種高能的粒子。正負電子對撞機的優點在于它可以達到很高的亮度，即單位時間內、單位面積內的對撞事例數，超級陶粲裝置的設計亮度大于0.5×1035每平方厘米每秒，高亮度的對撞聯合較大的產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電子束流并使它們對撞，包括注入器、儲存環、輸運線等；譜儀用來探測對撞產生的各種末態粒子，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生的能區，被稱為陶粲能區，該能區可以產生很多重要粒子，如陶輕子、（類）粲夸克偶素、粲強子、各類超子等。

“超級陶粲裝置”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研究搶占世界制高點的高能加速器，是打造“國之重器”、實現科技自立自強的應有之義。目前，歐洲有發現“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。中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域亮度最高的對撞機，其優異性能為我國開展高能物理實驗創造條件，并取得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無法繼續滿足更深層次實驗的條件，對于加速器而言，激發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有的北京正負電子對撞機，其能區擴大了20億電子伏特；其設計亮度大于0.5×1035每平方厘米每秒，達到當今世界最高水平，比北京正負電子對撞機高出1-2個數量級，這意味著針對現有裝置需要100天搜集的數據，超級陶粲裝置用1天就能完成。不同的加速器有特定的運行能區，陶粲能區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生的粒子，可以幫助物理學家研究低能區強相互作用的性質，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不守恒、暗物質候選粒子、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造契機。與世界上其他能區的裝置相比，超級陶粲裝置能夠在閾值產生陶輕子和各類強子，具有事例干凈的優勢。如歐洲LHC裝置能量更高，LHC上的實驗如ATLAS或CMS可用來研究“上帝粒子”，但對于陶粲能區的物理只能靠高能粒子的衰變產生，其噪聲水平更高。

基礎學科研究不僅體現一個國家的科研水平，也是綜合國力的體現。趙政國透露，對于超級陶粲裝置這種大科學裝置，與之相關的學科交叉達到數十種，其采用的創新技術如超導腔體、納米束流、交叉點反饋等，涉及數學、微電子、計算機等不同學科，需要相關專業擁有較強的科研能力。這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的時間。

為什么又是中國科大？

超級陶粲裝置作為最先進的大科學裝置，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？趙政國表示，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新土壤。

“我們有底氣，也有實力建好‘超級陶粲裝置’。”趙政國表示。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，取得豐碩的研究成果。此外，趙政國曾領導過北京譜儀實驗。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。超級陶粲裝置建成后，在資源配置方面能夠發揮獨特的作用，在國際上都可謂獨樹一幟。

超級陶粲裝置關鍵技術攻關研究團隊由中國科大牽頭、聯合國內多所高校和研究單位組成，目前已經凝聚本領域多個前沿方向的優秀科學家，完成大量先期研究工作及概念性設計報告。該裝置先期研究得到中國科學院、科技部和國家基金委支持，并于2022年得到安徽省、合肥市和中國科大4.2億的經費支持進行關鍵技術攻關，為爭取項目的進一步立項和工程建設奠定堅實基礎。超級陶粲裝置的選址地在安徽合肥，但其研制和建成需要集聚來自全世界范圍內的頂尖專家，這也將極大促進國際合作研究。目前，超級陶粲裝置項目得到國內外同行和科學界的廣泛支持，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、重創新，是一片創新的沃土。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、穩態強磁場實驗裝置等。此外，還有聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施、未來網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生“1+1>2”的協同效應，助力合肥成為具有世界影響力的國家綜合性科學中心。安徽省把超級陶粲裝置項目作為合肥綜合性國家科學中心謀劃項目之一，將超級陶粲裝置選址于在合肥規劃的未來大科學城，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。超級陶粲裝置建成后，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。

建設的最大困難是什么？

超級陶粲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”。“建設超級陶粲裝置，最大的困難是如何統一意見。”趙政國坦言，國內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。超級陶粲裝置項目自2011年提出，經過專家多次討論和論證，才最終統一意見、確定了方向目標。

煙波浩渺的太平洋，隔不斷濃濃的愛國情。15年前，趙政國已是世界知名粒子物理實驗學家，但他毅然放棄密歇根大學教職，全職回國擔任母校中國科大教授。“永遠都不能忘記養育我們的那片土地和人民。”趙政國動情地說，建造超級陶粲裝置的核心驅動力是他對粒子物理有著濃厚的興趣，同時這一裝置也凝聚了很多代人的努力和夢想，他有責任和義務推動該項目落地。

對于年輕學子有何建議？趙政國表示，新入學的科大學子，要積極適應身份的轉變，理性看待在成績和排名上與他人的差距，由“最好的高中生”轉變為“普通的大學生”是每一位年輕學子的必修課；學習的目的并不在于功課上取得高分，而在于培養發現和解決問題的能力，“學”與“不學”有著本質的差別，現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。