本报记者 王敏 通讯员 李昀泽
最近，我国新一代正负电子对撞机、粒子物理实验研究利器——超级陶粲装置关键技术攻关项目在中国科学技术大学（以下简称中国科大）启动。
作为国际独特的强相互作用研究和电弱精确测量专用平台，该装置将在未来20至30年内保持我国在陶粲能区粒子物理实验领域的世界领先地位。
何为超级陶粲装置？中国科学院院士、中国科大教授赵政国日前向《中国科学报》揭开了它的神秘面纱。
超级陶粲装置是什么？
随着科技的发展，人类在微观领域的研究尺度已经深入到10-18米，这一研究尺度比原子尺寸小8个量级、比原子核尺寸小4个量级，并且成功构建了描述微观世界的基本理论模型——标准模型，即一种用来描述自然界中最基本粒子及其相互作用的理论。
在过去的几十年里，标准模型得到了大量的实验验证，特别是2012年“上帝粒子”的发现，使得其所预言的所有基本粒子都被证实，标志着人类对物质微观世界的认识达到空前高度。尽管如此，自然界仍存在一系列基本的科学问题，如暗物质是什么、物质-反物质不对称的起源等依然得不到合理的理论解释。
赵政国表示，物理学家普遍认为应该存在一个更基本的物理模型，同时亟待更多精确的实验来进一步揭开微观世界之谜。另外，作为标准模型的组成部分之一，描述强相互作用的量子色动力学在高能区得到大量实验的精确检验，但低能区由于量子色动力学的非微扰特性，在理论和实验方面均面临巨大的挑战，需要进一步发展和完善。
基于加速器的粒子物理实验，是研究微观物质世界最有效的手段之一。正在筹建的超级陶粲装置是新一代正负电子对撞机，它可以使电子和正电子在高速的状态下碰撞，产生各种高能粒子。正负电子对撞机的优点在于可以达到很高的亮度。亮度即单位时间内、单位面积内的对撞事例数。超级陶粲装置的设计亮度大于0.5×1035每平方厘米每秒，高亮度的对撞联合较大的产生截面有利于观测稀有的物理过程。
赵政国介绍，超级陶粲装置主要由加速器和探测谱仪组成，加速器用来加速正负电子束流并使它们对撞，包括注入器、储存环、输运线等；谱仪用来探测对撞产生的各种末态粒子，包括径迹探测器、粒子鉴别探测器、电磁量能器和缪子探测器。超级陶粲装置对撞质心能量范围是20亿至70亿电子伏特，是陶轻子对和粲夸克对阈值大量产生的能区，被称为陶粲能区，该能区可以产生很多重要粒子，如陶轻子、（类）粲夸克偶素、粲强子、各类超子等。
它能干什么？
在赵政国看来，建造一台能够推动粒子物理在陶粲能区研究抢占世界制高点的高能加速器，是打造“国之重器”、实现科技自立自强的应有之义。
北京正负电子对撞机于1988年首次对撞，是当时世界上唯一在陶轻子对和粲夸克对产生阈附近研究陶粲物理的大型正负电子对撞实验装置，也是在20亿至50亿电子伏特能量区域亮度最高的对撞机。
但赵政国坦言，随着理论研究的深入，北京正负电子对撞机已经无法满足更深层次实验的条件。超级陶粲装置相比现有的北京正负电子对撞机，其能区扩大了20亿电子伏特，设计亮度大于0.5×1035每平方厘米每秒，达到世界最高水平。这也意味着，对于现有装置需要100天搜集的数据，超级陶粲装置用1天就能完成。
此外，不同的加速器有特定的运行能区，陶粲能区在粒子物理研究中独具特色，有很多实验值得探究。超级陶粲装置正负电子对撞产生的粒子，可以帮助物理学家研究低能区强相互作用的性质，如夸克禁闭等；精确检验标准模型，如夸克混合和CP破坏等；同时能够以极高的敏感度寻找轻子数不守恒、暗物质候选粒子、自由夸克等一些超出标准模型的新物理信号，为探索微观世界更深层的理论模型创造契机。
基础学科研究不仅体现一个国家的科研水平，也是综合国力的体现。赵政国透露，对于超级陶粲装置这种大科学装置，与之相关的学科交叉达到数十种，其采用的创新技术如超导腔体、纳米束流、交叉点反馈等，涉及数学、微电子、计算机等不同学科，需要相关专业拥有较强的科研能力。这类大科学装置的立项一般需要10年以上的论证，完全建成预计需要10多年时间。
为何是中国科大牵头？
超级陶粲装置作为最先进的大科学装置，为何由中国科大团队牵头负责关键技术攻关，并且选址在安徽合肥？赵政国表示，这是因为中国科大和安徽合肥有着得天独厚的科研条件和创新土壤。
在学科设置方面，中国科大粒子物理与原子核物理学科拥有雄厚的人才储备和完整的学科体系，且在高能粒子物理等相关专业有很高的学术水平；在研究平台方面，中国科大拥有国家同步辐射实验室、核探测与核电子学国家重点实验室等，为超级陶粲装置的关键技术预研提供技术支持；在工程队伍方面，国家同步辐射实验室拥有丰富的大科学装置建设经验和强大的工程队伍，为超级陶粲装置提供建设基础。
超级陶粲装置关键技术攻关研究团队由中国科大牵头、联合国内多个高校和研究单位组成，目前已经凝聚本领域多个前沿方向的优秀科学家，完成大量先期研究工作及概念性设计报告。赵政国表示，目前，超级陶粲装置项目得到国内外同行和科学界的广泛支持，已有106个大学和研究所，包括37家国外研究单位有意愿参加超级陶粲装置项目的预研、建设以及实验研究。
超级陶粲装置建成后，将形成世界上基于加速器的粒子物理前沿科学和技术研究中心之一，并将成为合肥综合性国家科学中心的重要装置。
“建设超级陶粲装置，最大的困难是如何统一意见。”赵政国坦言，国内到底建多大的正负电子对撞机，目前学界还存在争议，既要综合考虑国情，又要考虑科研实力和项目未来前景。他表示，超级陶粲装置项目自2011年提出，经过专家多次讨论和论证，才最终统一意见、确定了方向目标。
《中国科学报》 (2023-11-08 第4版 综合)
https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2023/11/376998.shtm
