开启粒子“加速”梦——记中国科学院高能物理研究所唐靖宇研究员

2016-11-08

科学中国人 2016年28期

本刊记者　褚　焱

本刊记者褚焱

空气里面有什么物质？宇宙起源于哪些物质？

从以前的放大镜、显微镜，到后来的粒子加速器，人类探索物质结构和自然界基本规律的脚步从未停止。借助现代科技之力，研制日益先进的精密测量仪器，“剥开”物质表皮，更深层次的细胞、分子、原子、原子核、甚至更基本的粒子，才能一一展现在人类面前。粒子加速器就是这些精密测量仪器中堪称最为庞大和复杂的一种，随着核物理和粒子物理研究的迫切需要，近百年来它们也得到了极大发展。借助一代代粒子加速器的力量，科学家们发现了自然界的很多基本粒子及基本规律，逐渐揭开了那深邃又神秘的粒子世界。

近年来，伴随着粒子加速器的发展，加速器作为多学科应用平台特别是先进的辐射光源和散裂中子源也得到了极大重视和发展。同时，这些先进装置也直接带动了生物学、凝聚态物理、材料、化学等多个学科领域的迅猛发展，也进一步促进了技术向高精尖方向迈进，加快了人类进入高科技时代的步伐。当今，粒子加速器早已“走出”实验室，逐渐与工农医等与国民经济息息相关的行业相结合，特别是医用加速器的应用已经非常普遍，作为一种放疗手段造福于人类。

在中国科学院高能物理研究所，有位从事于大型粒子加速器设计、建造及运行工作近30年的科学家，几十年如一日埋头科研，直观地见证了粒子加速器的快速发展。

他，就是唐靖宇研究员。

自20世纪70年代末走进中国科技大学近代物理系至今，唐靖宇一直在物理学的大世界中努力拼搏，多年的海外经历也使他一直憧憬着祖国的科学事业的发展，默默坚守初始的粒子“加速”梦想。

中国散裂中子源和多学科应用

近十多年来，唐靖宇的研究视线聚焦在“中国散裂中子源”项目上，着重探究中子的力量。

正在建设中的中国散裂中子源（全景图）

散裂中子源是利用中子探针探测物质结构的大型科研装置。基于这个装置可以直接推动凝聚态物理、纳米科学、材料科学、生命科学、药物学、国防科研及新型核能源的开发，将“加速”人类走进更高层次的文明社会。

目前，国际上拥有正在运行的三大散裂中子源分别在美国、日本、英国。

中国散裂中子源（CSNS），我国“十一五”期间重点建设的十二大科学装置之首，它由中国科学院和广东省共建，位于东莞市，目前仍处在工程建设阶段，预计2018年初建成和竣工验收。它是一台基于高功率质子加速器的、多学科研究的大型科学研究装置，建成后将会成为世界第四大散裂中子源。

唐靖宇介绍，C S N S一期工程建设包括束流功率为100kW的高功率质子加速器、一个靶站和3台中子散射谱仪。

以中国散裂中子源为依托，唐靖宇认为当前重点要加快开展基于中子散射技术的多科学研究，并且今后，中子散射谱仪还可以从初始的3台增加到20台。但是，唐靖宇凭借敏锐的眼光，认为基于该加速器的质子束、Mμ子束和白光中子源也拥有非常广阔的应用空间，而且逐渐推动了这些应用方向的工作开展。

CSNS加速器隧道照片（仍在安装调试中）

CSNS实验型μ子源

这也将是我国第一台μ子源，在国际上也将占领一席之地。

唐靖宇认为，实验型μ子源的建设，一方面可以开展中微子实验相关的预研和基于μSR技术的多学科研究，另一方面也为今后建设更高级的μ子源做技术和人才的准备。

μ子是一个类似电子但更重的基本粒子，它具有易衰变的特点，且易用加速器产生，因此在高能物理实验和作为物质结构研究的探针等方面受到高度重视，后者同中子散射类似，在诸如凝聚态物理、材料科学、生物科学等多学科领域具有重要的应用。在中微子实验方面，我国前几年提出了基于Mμ束衰变的小型中微子工厂方案，拟作为在大亚湾中微子实验和江门中微子实验之后的第三阶段实施。

但在国内，因为过去缺少高束流功率的质子加速器，μ子源和利用μ子束作为探针的科研工作很多无法开展，我国一些优秀科学家有时只能通过国际合作将实验样品送到国外的Mμ子源进行测试。唐靖宇认为，随着CSNS的建成，今后我国可以建设自己的μ子源和开展基于μ子探针技术的研究。CSNS实验型μ子源的方案兼顾开展加速器中微子束装置的预研工作和基于MμSR技术的多学科研究，这是一个大胆的设计思想，此前国际上没有类似的设计。令人高兴的是唐靖宇和他的团队所申请的国家自然科学基金重大科学仪器研制项目获得了批准，他们可以在未来的几年内开展子源的技术设计和样机的研究，为今后的Mu子源建设打下坚实基础。