基于大科学装置科技创新的启示
作者:廖日坤 李晓强 周 辉时间:2016-12-22 15:28 来源:中国科技人才

图为大亚湾中微子实验


20世纪中叶以后,科技创新跨越发展一个重要特征,是大科学装置或重大科技基础设施的出现。越来越多的诺贝尔科学奖特别是诺贝尔物理学奖的研究成果都依靠这些大科学装置取得。


1. 概况

20世纪中叶以后,科技创新的一个重要特征,是大科学装置(或重大科技基础设施)的出现。越来越多的诺贝尔奖,特别是诺贝尔物理学奖的研究成果,都依靠这些大科学装置取得。特别是2015年度诺贝尔物理学奖获得者:日本科学家Takaaki Kajita、加拿大科学家Arthur B. McDonald,分别基于日本超级神冈探测器Super-K、加拿大萨德伯里中微子观测站SNO这两个大科学装置和所在的大型研究团队,发现基本粒子中微子存在质量。

大科学装置,是科学家研究观察世界的利器。欧美日的大科学装置一直领先于中国。例如,欧洲核子研究中心(CERN,法语Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire)雇员超过2400名,还有来自113个国家、超过600所高校和科研机构、1万名左右科学家在这里研究,共有6名成员获得诺贝尔奖,并且吸引了诸多诺贝尔奖获得者到这里工作。诺贝尔物理学奖获得者Felix Bloch曾担任这里第一任总主任;Carlo Rubbia和Simon van der Meer在这里发现弱相互作用载体W±和Z°粒子而获得1984年度诺贝尔物理学奖,实验结果验证了弱力和电磁力的统一,即标准模型的电弱理论;Georges Charpak发明和开发高能物理探测器获得1992年度诺贝尔物理学奖;2012年大型强子对撞机LHC上进行的两个实验,观测到一种新的粒子希格斯玻色子(Higgs),利用大科学装置验证了P.W.Higgs等人的理论预言,英国爱丁堡大学P.W. Higgs和比利时布鲁塞尔自由大学Fran.ois Englert因而共同获得2013年度诺贝尔物理学奖。

美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory,LBL)的科研人员也超过4200人,其中科学家、工程师和教职约1700人,一共培养了13位诺贝尔物理学奖/化学奖得主。


2. 日本超级神冈探测器

(1)梶田隆章(Takaaki Kajita)及获诺奖情况

1930年,奥地利物理学家泡利,首先提出了中微子假设,该假设粒子在1956年得到实验验证。自然界中太阳、宇宙线、核电站甚至地球内部,都能产生大量的中微子。从中微子假设的提出至今已经历了85年,其成果先后4次获1988、1995、2002、2015年度诺贝尔物理学奖。

2015年10月6日,瑞典皇家科学院宣布2015年度诺贝尔物理学奖授予田隆章(Takaaki Kajita)和阿瑟·麦克唐纳(Arthur B. McDonald),以表彰他们在发现中微子振荡也就是中微子有质量上所做出的贡献。在其进一步的说明中还提到,他们分别是两个大科学装置、大型研究团队的科学家:超级神冈探测器(Super Kamiokande)与萨德伯里中微子观测站(SNO)。

田隆章,崎玉大学理学部物理学科毕业、东京大学理学博士,历任东京大学宇宙线研究所助手(1988年)、副教授(1992年)、教授(1999年),2008年至今任东京大学宇宙线研究所所长。1986年,田隆章开始中微子研究,在世界一流物理学家小柴昌俊、户冢洋二门下学习,在观测中微子时发现异样,依此推测中微子震荡的存在。为证实该推论,需要庞大的观测数据,大科学装置Super-K应运而生。1996年,超级神冈探测器成功地观测到大气中的中微子,并测定其质量。

(2)超级神冈探测器

超级神冈探测器,是东京大学1982年建造的大型中微子探测器,位于日本岐阜县神冈矿山一个深达1000米的废弃砷矿中,主要部分是一个高41.4米、直径39.3米的圆柱形容器,盛有5万吨高纯度水,容器的内壁上安装有1.12万个光电倍增管,用于探测高速中微子在水中通过时产生的切连科夫辐射。

1985年,神岗探测器开始进行扩建,名为神冈核子衰变实验II期(KamiokaNDE-II),灵敏度大大提高。1987年2月,神冈探测器与美国的探测器共同发现了大麦哲伦云中超新星1987A爆发时产生的中微子,这是人类首次探测到太阳系以外的天体产生的中微子。

1991年,为了收集到更多的中微子事例,日本科学家小柴昌俊建造了更大的水切仑柯夫探测装置,称为超级神冈探测器(Super Kamiokande),简称Super-K或SK。经过再次扩建,Super-K于1996年开始观测,容量扩大了10倍,整个建设投资约为100亿日元。

1998年,超级神冈探测器的领导者小柴昌俊发表了测量结果,给出中微子振荡的首个确切证据,认为中微子在3种不同“味”之间是可以相互转换的,这也表明中微子有质量,而不是粒子物理标准模型中预言的零质量粒子。

2002年,超级神冈探测器证实,反应堆中产生的中微子发生了振荡。这个探测结果在中微子天文学和粒子物理学中具有里程碑意义,小柴昌俊因此获得2002年度诺贝尔物理学奖。

继超级神冈之后,日本还计划2020年后在原址旁新建超超级神冈(Hyper-K),质量从5万吨提升到100万吨。Hyper-K将探测来自295千米外日本散射中微子源(J-Parc)的中微子束流,也能探测大气中微子和超新星中微子。

(3)东京大学宇宙线研究所

田隆章所在的东京大学宇宙线研究所(Institute for Cosmic Ray Research, the University of Tokyo,简称ICRR),是隶属于东京大学的一个顶尖科学研究所,在世界宇宙线研究领域享有盛誉,始建于1950年,2770米的朝日山上的一间小茅屋观测站,1953年发展为东京大学宇宙射线天文台(俗称Norikura天文台),是日本第一个大学研究机构。1976年改为东京大学宇宙线研究所。东京大学宇宙线研究所(ICRR)总部位于东京大学的千叶县柏市校区,通过观察各种宇宙射线粒子,研究宇宙中的高能现象和基本粒子,其成功案例包括:超新星SN1987A中微子爆发的观测,中微子的发现。

目前,该研究所有3个研究室:中微子与天体室、高能量宇宙射线室、天体物理学和重力室。下属3个野外观测站:神冈天文台(岐阜县神冈市)、Norikura天文台(2770米海拔,岐阜县)、明野天文台(山梨县),全部工作人员100余人,年度经费约20亿日元左右。

此外,东京大学宇宙线研究所(ICRR)有2个主要的实验设施在日本以外地区:美国犹他州、中国西藏羊八井。中日合作羊八井宇宙线观测研究自1990年正式开始以来,取得了许多引人注目的重要成果,中日可以充分利用羊八井的地理优势,加强中子堆和中子望远镜的研究,以此深入研究太阳活动处于极大期的太阳物理现象等。东京大学宇宙线研究所(ICRR)具有完备的科研工作条件:包括一个图书馆,拥有完整的详细研究宇宙线的资料,超级计算机和一个大型数据库可以快速方便地与世界各地连接获取大量研究信息,保存宇宙线观测站常年运行采集的大量原始数据并对这些原始数据进行处理。


3. 加拿大萨德伯里中微子观测站SNO

2015年度诺贝尔物理学奖阿瑟·麦克唐纳(Arthur B. McDonald),是萨德伯里中微子观测站的所长(Sudbury Neutrino Observatory,缩写为SNO)。SNO中微子探测器1999年5月正式启用,位于加拿大安大略省2100米深的镍矿中,目的是利用地层对宇宙线进行屏蔽,以减轻干扰。

2002年,SNO中微子实验在1千吨重水探测器中,首次完整地探测到太阳中微子经过振荡后到达地球的所有3代中微子,完美地解决了长期困扰物理学界的太阳中微子“丢失”问题,验证了天体物理中的标准太阳模型,该结果被美国《科学》杂志评选为2002年“十大科学突破”之一。

最早提出萨德伯里中微子观测站(SNO)建设思路的是华裔物理学家陈华生博士,他长期专注中微子与弱相互作用的实验研究,在1984年最早提出了能探测到所有中微子的重水型探测器方案,并选定了加拿大安大略湖畔的萨德伯里,开始建设中微子天文台。然而陈华生博士英年早逝,同实验室的麦克唐纳(Arthur B. McDonald)获得2015年度诺贝尔物理学奖。

除此之外,还有多个中微子大装置被批准或正在申请中,包括中国采用2万吨液闪探测器的大亚湾中微子实验;美国采用1万~4万吨液氩探测器的加速器实验;印度采用5万吨铁的INO实验;韩国1.8万吨液闪实验;以及日本100万吨纯净水的超超级神冈实验等。


4. 结论

大科学装置,一般通过较多资金投入和工程建设完成,建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动实现重要的科学技术目标。相比而言,中国的大科学装置长期以来一直处于酝酿状态,在技术、投入、规模上都远远不及欧美日,没有先进的大科学装置,获得诺贝尔物理学奖的难度可想而知。

现代科学中,重大科技创新往往已经不是少数人单枪匹马所能得到,需要各种条件的支持和多方面力量的通力协作。一流的大科学设施,是世界一流的科技创新的源泉,藉此才能确保在国际激烈竞争中把握先机,因而国家还需要继续在基础科学特别是大科学装置方面增加投入,大科学落后的局面才能有所改善。


(该文为国家软科学计划项目“顶尖科学家、科技领军人才成长规律研究”)

作者系北京大学科学研究部副主任、博士