開啟粒子“加速”夢

褚焱

空氣里面有什么物質(zhì)？宇宙起源于哪些物質(zhì)？

從以前的放大鏡、顯微鏡，到后來的粒子加速器，人類探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)和自然界基本規(guī)律的腳步從未停止。借助現(xiàn)代科技之力，研制日益先進(jìn)的精密測量儀器，“剝開”物質(zhì)表皮，更深層次的細(xì)胞、分子、原子、原子核、甚至更基本的粒子，才能一一展現(xiàn)在人類面前。粒子加速器就是這些精密測量儀器中堪稱最為龐大和復(fù)雜的一種，隨著核物理和粒子物理研究的迫切需要，近百年來它們也得到了極大發(fā)展。借助一代代粒子加速器的力量，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了自然界的很多基本粒子及基本規(guī)律，逐漸揭開了那深邃又神秘的粒子世界。

近年來，伴隨著粒子加速器的發(fā)展，加速器作為多學(xué)科應(yīng)用平臺特別是先進(jìn)的輻射光源和散裂中子源也得到了極大重視和發(fā)展。同時，這些先進(jìn)裝置也直接帶動了生物學(xué)、凝聚態(tài)物理、材料、化學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，也進(jìn)一步促進(jìn)了技術(shù)向高精尖方向邁進(jìn)，加快了人類進(jìn)入高科技時代的步伐。當(dāng)今，粒子加速器早已“走出”實驗室，逐漸與工農(nóng)醫(yī)等與國民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)的行業(yè)相結(jié)合，特別是醫(yī)用加速器的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，作為一種放療手段造福于人類。

在中國科學(xué)院高能物理研究所，有位從事于大型粒子加速器設(shè)計、建造及運行工作近30年的科學(xué)家，幾十年如一日埋頭科研，直觀地見證了粒子加速器的快速發(fā)展。

他，就是唐靖宇研究員。

自20世紀(jì)70年代末走進(jìn)中國科技大學(xué)近代物理系至今，唐靖宇一直在物理學(xué)的大世界中努力拼搏，多年的海外經(jīng)歷也使他一直憧憬著祖國的科學(xué)事業(yè)的發(fā)展，默默堅守初始的粒子“加速”夢想。

中國散裂中子源和多學(xué)科應(yīng)用

近十多年來，唐靖宇的研究視線聚焦在“中國散裂中子源”項目上，著重探究中子的力量。

散裂中子源是利用中子探針探測物質(zhì)結(jié)構(gòu)的大型科研裝置。基于這個裝置可以直接推動凝聚態(tài)物理、納米科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、藥物學(xué)、國防科研及新型核能源的開發(fā)，將“加速”人類走進(jìn)更高層次的文明社會。

目前，國際上擁有正在運行的三大散裂中子源分別在美國、日本、英國。

中國散裂中子源（CSNS），我國“十一五”期間重點建設(shè)的十二大科學(xué)裝置之首，它由中國科學(xué)院和廣東省共建，位于東莞市，目前仍處在工程建設(shè)階段，預(yù)計2018年初建成和竣工驗收。它是一臺基于高功率質(zhì)子加速器的、多學(xué)科研究的大型科學(xué)研究裝置，建成后將會成為世界第四大散裂中子源。

唐靖宇介紹，CSNS一期工程建設(shè)包括束流功率為100kw的高功率質(zhì)子加速器、一個靶站和3臺中子散射譜儀。

以中國散裂中子源為依托，唐靖宇認(rèn)為當(dāng)前重點要加快開展基于中子散射技術(shù)的多科學(xué)研究，并且今后，中子散射譜儀還可以從初始的3臺增加到20臺。但是，唐靖宇憑借敏銳的眼光，認(rèn)為基于該加速器的質(zhì)子束、Mμ子束和白光中子源也擁有非常廣闊的應(yīng)用空間，而且逐漸推動了這些應(yīng)用方向的工作開展。

CSNS實驗型μ子源

這也將是我國第一臺μ子源，在國際上也將占領(lǐng)一席之地。

唐靖宇認(rèn)為，實驗型μ子源的建設(shè)，一方面可以開展中微子實驗相關(guān)的預(yù)研和基于μSR技術(shù)的多學(xué)科研究，另一方面也為今后建設(shè)更高級的μ子源做技術(shù)和人才的準(zhǔn)備。

“子是一個類似電子但更重的基本粒子，它具有易衰變的特點，且易用加速器產(chǎn)生，因此在高能物理實驗和作為物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的探針等方面受到高度重視，后者同中子散射類似，在諸如凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、生物科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。在中微子實驗方面，我國前幾年提出了基于Mμ束衰變的小型中微子工廠方案，擬作為在大亞灣中微子實驗和江門中微子實驗之后的第三階段實施。

但在國內(nèi)，因為過去缺少高束流功率的質(zhì)子加速器，μ子源和利用μ子束作為探針的科研工作很多無法開展，我國一些優(yōu)秀科學(xué)家有時只能通過國際合作將實驗樣品送到國外的Mμ子源進(jìn)行測試。唐靖宇認(rèn)為，隨著CSNS的建成，今后我國可以建設(shè)自己的μ子源和開展基于μ子探針技術(shù)的研究。CSNS實驗型μ子源的方案兼顧開展加速器中微子束裝置的預(yù)研工作和基于MμSR技術(shù)的多學(xué)科研究，這是一個大膽的設(shè)計思想，此前國際上沒有類似的設(shè)計。令人高興的是唐靖宇和他的團(tuán)隊所申請的國家自然科學(xué)基金重大科學(xué)儀器研制項目獲得了批準(zhǔn)，他們可以在未來的幾年內(nèi)開展子源的技術(shù)設(shè)計和樣機(jī)的研究，為今后的Mu子源建設(shè)打下堅實基礎(chǔ)。

重視團(tuán)隊合作

同舟共濟(jì)揚帆起，乘風(fēng)破浪萬里航?？茖W(xué)研究，離不開團(tuán)隊的力量。

唐靖宇表示，設(shè)計建造像大型粒子加速器這樣的大型科學(xué)裝置，需要很多科學(xué)家和工程技術(shù)人員的積極參與，高效的團(tuán)隊合作是科研工作的前提，甚至國際合作也是必不可少的。

參與進(jìn)去，吸納進(jìn)來，是開展高水平科學(xué)研究的重要方法。和不少高能所的其他科學(xué)家一樣，唐靖宇積極參與多個國際合作項目，在對國際項目貢獻(xiàn)智慧與力量的同時，也吸引著國際實驗室和其他科學(xué)家參與以他們?yōu)橹鞯捻椖俊?/p>

人，與宇宙相比，只是一粒小到不能再小的“塵?！薄Ｕ蛄Ｗ娱g的相互碰撞，其巨大能量推動著宇宙空間的不斷演化。同樣，得益于人與人之間思想的激烈碰撞產(chǎn)生出的系列火花，人類社會才能大跨步走進(jìn)更高層次的文明世界。

相信在擁有豐富大科學(xué)工程建設(shè)經(jīng)驗的科研人員的鼎力合作下，CSNS項目和高能所的其他大型科學(xué)設(shè)施建設(shè)一定會沿著唐靖宇他們設(shè)想的那樣，發(fā)展成為中國高能物理和多學(xué)科應(yīng)用發(fā)展進(jìn)程中新的里程碑。endprint