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(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)啟動。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(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”？

中國科學(xué)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”設(shè)計圖。（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖）

“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(lǐng)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(yīng)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(guān)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(yīng)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，意味著研究層次越深入。“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(shè)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(xué)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。

“超級陶粲裝置”為何選址在安徽？

作為最先進的大科學(xué)裝置，“超級陶粲裝置”由中國科大團隊牽頭負責(zé)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān) 。

為什么是中國科大，為什么在安徽？

“我們有底氣，也有實力建好‘超級陶粲裝置’。”趙政國介紹，中國科大有著得天獨厚的優(yōu)勢 。

中國科大粒子物理與原子核物理學(xué)科實力強勁，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)有很強的學(xué)術(shù)水平；學(xué)校擁有國家同步輻射實驗室、核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室等，為關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研提供技術(shù)支持；國家同步輻射實驗室擁有豐富的大科學(xué)裝置建設(shè)經(jīng)驗和強大的工程隊伍，為“超級陶粲裝置”提供建設(shè)基礎(chǔ)。

中國科大牽頭、聯(lián)合國內(nèi)多所高校和研究單位組成，集聚了本領(lǐng)域多個前沿方向的優(yōu)秀科學(xué)家，完成了大量先期研究工作及概念性設(shè)計報告。目前，已有106所大學(xué)和研究所，包括37所國外研究單位，表示有意愿參加項目的預(yù)研、建設(shè)以及實驗研究。

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

合肥是我國四大綜合性國家科學(xué)中心之一，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)強磁場實驗裝置等。此外，還有聚變堆主機關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施、未來網(wǎng)絡(luò)試驗設(shè)施等多個在建裝置。這些大科學(xué)裝置的集聚，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家綜合性科學(xué)中心。

“超級陶粲裝置”選址在合肥正在規(guī)劃建設(shè)的大科學(xué)城，毗鄰在建的“合肥先進光源”，大科學(xué)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，這里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 。

凝聚了很多代人的努力和夢想

15年前，趙政國已是世界知名粒子物理實驗學(xué)家，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。

這一裝置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(zé)任，也是義務(wù)。

“建設(shè)‘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，學(xué)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(chǔ)學(xué)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(xué)裝置，與之相關(guān)的學(xué)科交叉達到了數(shù)十種，其采用的創(chuàng)新技術(shù)如超導(dǎo)腔體、納米束流、交叉點反饋等，涉及數(shù)學(xué)、微電子、計算機等不同學(xué)科，需要相關(guān)專業(yè)擁有較強的科研能力。

據(jù)介紹，此類大科學(xué)裝置的立項一般需要十年以上的論證，完全建成預(yù)期要十多年。其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

有更多青年科技工作者加入這支隊伍

讓國之重器在基礎(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

釋放更大能量