世界著名的物理实验室（六）

徐汉屏

莱顿低温实验室

莱顿低温实验室处在荷兰老莱茵河上距离海牙20km的莱顿市，属于历史悠久的莱顿大学。莱顿大学的130多座建筑设施，分布在莱顿市的各个角落。这些建筑设施为莱顿市容增添光彩，使莱顿赢得了“大学城”的美名。莱顿低温实验室就坐落于市中心。

莱顿低温实验室的创始人是低温物理学家昂尼斯。他于1853年9月21日生于荷兰东北部的格罗宁根。

1882年，29岁的昂尼斯被任命为莱顿大学物理学教授和物理实验室负责人。当时物理学正处在一个转变的时代，人们越来越重视物理实验。昂尼斯在担任莱顿大学物理实验室负责人后，就决定把研究低温物理作为主攻方向。

要进行低温方面的实验，首先就要获得低温。低温要靠液化气体获得，当时只有氢和氦还未被液化。英国物理学家杜瓦从1877年开始研究，经过二十多年，于1898年液化了氢。昂尼斯领导的实验室为了满足低温研究的需要，于1892?1894年建成了大型的液化氧、氮和空气的工厂，1906年可以大量生产液氢，为液化氦打下了坚实的基础。又经过两年奋斗，实验室终于在1908年7月成功地液化了氦，为在液氦温度下研究物质的性质创造了条件。

金属的电阻问题是昂尼斯的一个重要研究课题。当时对金属的电阻在绝对零度附近如何变化，有不同的说法。有人认为纯金属的电阻应随温度的降低而逐渐变小，并最终在绝对零度消失。昂尼斯最初相信的是开尔文1902年提出的另一种观点，即随着温度的降低，金属的电阻在达到一个极小值后，会由于电子凝聚到金属原子上而变为无限大。昂尼斯由于掌握了液化氦的技术，因而具备了从实验上研究这一问题的条件。1911年2月，他测量了金和铂在液氦温度下的电阻，发现在4.3K以下，铂的电阻保持为一常数，而不是达到一个极小值后再增大。因此他改变了原来的看法，而认为纯铂的电阻应在液氦温度下消失。

为了检验自己的看法，昂尼斯选择了汞作为实验对象，因为汞比其他金属容易提纯。实验结果出现了令人意想不到的奇特现象：汞的电阻在4.2K左右突然消失。1911年4月?11月，昂尼斯在连续三篇论文中详细地叙述了他的实验结果。1913年，昂尼斯又发现锡和铅也具有和汞一样的超导电性，不纯的汞也具有超导电性。

由于昂尼斯对莱顿低温实验室的出色领导和管理，该实验室在低温领域独占鳌头，逐渐在国际上赢得了日益重大的声誉。特别是它以大规模工业技术发展实验室，开创了大科学的新纪元。有许多国外学家曾来到莱顿大学，在这个实验室短期或较长期地工作。他们之中不仅有昂尼斯的合作者，还有其他来自世界各地的学者和技师，到莱顿研究或学习的主要课题是低温学。莱顿低温实验室创造了只比绝对零度高千分之一度的低温，被称为“世界上最冷的地方实验室成了20世纪初全世界低温研究的中心，并一直在低温和超导领域居领先地位。

昂纳斯为莱顿大学建立了世界上第一座低温实验室，因制成液氦和发现超导现象于1913年获诺贝尔物理学奖。1926年2月21日，昂纳斯逝于荷兰的莱顿。“从实验中获得知识”，这是昂纳斯生前的名言，今天它仍然高悬在实验室的大门上。

莫达讷地下实验室

莫达讷地下实验室（简称LSM）位于法国东部罗纳—阿尔卑斯大区萨瓦省的邊境小镇莫达讷，深藏于阿尔卑斯山脉弗雷瑞斯山峰下1.7km的岩石中，处于连接法国萨瓦省和意大利西北的皮埃蒙特大区的弗雷瑞斯交通公路隧道的正中央，离入口处约6.5km。莫达讷地下实验室面积400m²，空间容积约3500m³.由于所处地下1.7km的特殊地理位置，莫达讷地下实验室有效地屏蔽了时刻照射人类的宇宙射线。同时，实验室所有建造探测器的材料都经过严格筛选、精确测试，为最低放射性水平，以避免探测器受到天然放射性元素的潜在干扰，极大地提高了探测器的灵敏度和纯度。

该实验室创建于20世纪80年代初，是法国国家核物理和粒子物理研究所与宇宙学研究所的一个联合实验室，二者又分别隶属于法国国家科学研究中心和法国原子能署。

1982年，莫达讷地下实验室正式开放。实验室最初用于屏蔽大气中的宇宙射线，探测质子潜在的不稳定性，开展天体物理的基础研究，揭示宇宙的起源、组成和演变等奥秘。

1988年后，通过国际合作，该实验室的研究扩展至暗物质、中微子、双β衰变和超重化学元素，涉及核物理、粒子物理、宇宙学、地球科学、光谱学、微电子学等诸多学科领域，主要开展了以下四大实验：

其一、EDELWEISS实验——探测WIMPs粒子，寻找暗物质。莫达讷地下实验室从20世纪90年代开始研发第一代超低温锗探测器Edelweissl。它能够分辨WIMPs粒子弱相互作用的信号和天然放射性核素产生的干扰信号。自2006年以来，实验室的科研人员与德国、俄罗斯和英国的科学家们合作，共同开发了高灵敏度高纯锗的新一代探测器EdelweissII。它由高性能的低温恒温器、铅屏蔽、聚乙烯屏蔽、闪烁体等组合而成，最大限度地隔离了周围放射性核素对探测器的干扰。2007年又研发了新型锗探测器，使探测WIMPs粒子的能力大大提高，同时也使法国跻身暗物质直接探测的领先行列。实验室还研发了铌硅锗探测器（GeNbSi），功能与ID锗探测器相同，还有球形热电离锗探测器、中子探测器等。

其二、NEMO实验——中微子和双β衰变研究。探测中微子的一个必要条件是宇宙线屏蔽。如果在地面站进行中微子实验，探测到的宇宙线将比中微子多200万倍，信号将完全淹没于本底辐射。因此地下实验室是最理想的场所。莫达讷地下实验室致力于寻找无中微子释放的双卩衰变这一新的放射形式。双β衰变实验是学术界公认的探索中微子质量的理想途径，是判断中微子是否是其本身反粒子的唯一方法。它将证实中微子是一种非零质量的粒子，并推算出质量，揭示中微子的性质，进而了解人类如何由碳、水分子和基于原子的化学反应组成，了解生命的起源、宇宙的组成和演变。这一实验开始两年后已终止运行，后续SuperNEMO实验正处于研发阶段。endprint

其三、TGV实验——双β衰变研究。该实验采用垂直锗望远镜TGV，由莫达讷地下实验室与俄罗斯杜布纳联合原子核研究所共同开展，利用32台直径60mm的平面锗探测器进行双β衰变研究。

其四、SHIN实验——寻找自然界中的超重元素。科学家们猜测：自然界中未知的超重元素的生命周期非常长，现在仍存在于自然界中。该实验试图追踪这些长生命周期的元素（拥有108或114个质子）及其自发裂变后的放射性衰变产物。

莫达讷地下实验室发展和完善了用于超低放射性水平样本测量的探测器和平台，它拥有世界领先的14台尖端的γ能谱超低本底锗探测器，在环境监测、超纯材料遴选、海洋放射性普查、地质学和年代的准确鉴定，半导体存储器静态测试，甚至包括对波尔多葡萄酒酒龄的鉴定方面进行了独特的应用研究，为世界不同国家和地区的低放射性水平样品提供了高灵敏度的测量服务。

欧洲核子研究中心

欧洲核子研究中心（简称CERN）位于法国和瑞士的交界处，是世界上最大的粒子物理研究中心，是一个旨在探索“宇宙开始时最基本的东西是什么”等问题的纯科学的物理研究机构。它的主要功能，是为高能物理学研究的需要，提供粒子加速器和其他基础设施，以进行许多国际合作的实验。同时也设立了资料处理能力很强的大型电脑中心，协助实验数据的分析，供其他地方的研究员使用，形成了一个庞大的网络中枢。

欧洲核子研究中心是在联合国教科文组织的倡导下，由欧洲11个国家从1951年开始筹划创立的，现已有26个成员方。经费由各成员方分摊，所长由理事会任命，任期5年。下设管理委员会、研究委员会和实验委员会，组织精干，管理完善。研究中心已经聘用大约3000名的全职员工，并有大约6500位科学家和工程师在此进行实验，他们来自包括中国在内的80多个国家，代表着500余所大学机构。这些人员大约占了全世界粒子物理学研究人员的一半。

这个研究中心建有两个国际研究所，供世界著名的科学家小组研究亚原子核的结构及其理论。第一研究所裝有6×10⁸eV的同步回旋加速器，2.8×10¹⁰eV的质子同步加速器等。第二研究所在第一研究所旁边，它装有一台周长约7km的新质子同步加速器。

欧洲核子研究中心同时也是万维网（WWW）的发源地，万维网是为改善和加速在世界上不同大学和研究所工作物理学家们之间的信息共享而开发出来的，而现在它的学术和商业的用户已达千百万。日前，欧洲核子研究组织成立了网格计算的发展中心，主持欧洲科学网格计划（EGEE）、大型强子对撞器网格计算计划和CERN网际网路交换点（CⅨP）。

数十年来，该研究中心先后建成质子同步回旋加速器、质子同步加速器、交叉储存环（ISR）、超质子同步加速器（SPS）、大型正负电子对撞机（LEP）、大型强子对撞器（LHC），并拥有世界上最大的氢气泡室（BEBL）。

欧洲核子研究中心所进行的实验，在粒子物理学中取得了重要成就，其中包括：1973年，加尔加梅勒气泡室发现了中性流；1983年，UA1和UA2发现了W及Z玻色子；2012年，大型强子对撞机（LHC）的紧凑渺子线圈（CMS）探测到质量为125.3±0.6GeV的新玻色子，超环面仪器（ATLAS）测量到质量为126.5GeV的新玻色子，探测到的新粒子是希格斯玻色子。

该研究中心的意大利科学家鲁比亚因证实传递弱相互作用的中间矢量玻色子W^2±和Z⁰的存在，荷兰科学家范德米尔因发明粒子束的随机冷却法，使质子-反质子束对撞产生W^2±和Z⁰粒子的实验成为可能，共同获得1984年的诺贝尔物理学奖。endprint