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學技術大學（以下簡稱中國科大）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至30年內(nèi)保持我國在陶粲能區(qū)粒子物理實驗領域的世界領先地位。

何為超級陶粲裝置？中國科學院院士、中國科大教授趙政國日前向《中國科學報》揭開了它的神秘面紗。

超級陶粲裝置是什么？

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10-18米，這一研究尺度比原子尺寸小8個量級、比原子核尺寸小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，即一種用來描述自然界中最基本粒子及其相互作用的理論。

在過去的幾十年里，標準模型得到了大量的實驗驗證，特別是2012年“上帝粒子”的發(fā)現(xiàn)，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(zhì)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(zhì)是什么、物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱的起源等依然得不到合理的理論解釋。

趙政國表示，物理學家普遍認為應該存在一個更基本的物理模型，同時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(qū)得到大量實驗的精確檢驗，但低能區(qū)由于量子色動力學的非微擾特性，在理論和實驗方面均面臨巨大的挑戰(zhàn)，需要進一步發(fā)展和完善。

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。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)下碰撞，產(chǎn)生各種高能粒子。正負電子對撞機的優(yōu)點在于可以達到很高的亮度。亮度即單位時間內(nèi)、單位面積內(nèi)的對撞事例數(shù)。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(lián)合較大的產(chǎn)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(huán)、輸運線等；譜儀用來探測對撞產(chǎn)生的各種末態(tài)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(zhì)心能量范圍是20億至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。

它能干什么？

在趙政國看來，建造一臺能夠推動粒子物理在陶粲能區(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。

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對和粲夸克對產(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。

但趙政國坦言，隨著理論研究的深入，北京正負電子對撞機已經(jīng)無法滿足更深層次實驗的條件。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，設計亮度大于0.5×1035每平方厘米每秒，達到世界最高水平。這也意味著，對于現(xiàn)有裝置需要100天搜集的數(shù)據(jù)，超級陶粲裝置用1天就能完成。

此外，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。

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)。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(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。這類大科學裝置的立項一般需要10年以上的論證，完全建成預計需要10多年時間。

為何是中國科大牽頭？

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(chuàng)新土壤。

在學科設置方面，中國科大粒子物理與原子核物理學科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)有很高的學術水平；在研究平臺方面，中國科大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(nèi)多個高校和研究單位組成，目前已經(jīng)凝聚本領域多個前沿方向的優(yōu)秀科學家，完成大量先期研究工作及概念性設計報告。趙政國表示，目前，超級陶粲裝置項目得到國內(nèi)外同行和科學界的廣泛支持，已有106個大學和研究所，包括37家國外研究單位有意愿參加超級陶粲裝置項目的預研、建設以及實驗研究。

超級陶粲裝置建成后，將形成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(nèi)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。他表示，超級陶粲裝置項目自2011年提出，經(jīng)過專家多次討論和論證，才最終統(tǒng)一意見、確定了方向目標。（記者 王敏 通訊員 李昀澤）