“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量的希格斯玻色子（又稱“上帝粒子”）。人類對物質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(tài)碰撞，產生各種高能的粒子。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生的各種末態(tài)粒子?！俺壧蒸友b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(qū)，被稱為陶粲能區(qū)。該能區(qū)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。

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?！俺壧蒸友b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?！俺壧蒸友b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(qū)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(shù)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(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’?！壁w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?！?/p>

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?！壁w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。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?！畬W’與‘不學’有著本質的差別，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?！壁w政國說。