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【中国科学报】上天入地 做最前沿的物理——走进中国科学院粒子天体物理重点实验室
2020-07-21|文章来源: |【
 

 

“慧眼”试验队与整装待发的“慧眼”卫星

 

2018年3月,《中国科学》封面文章报道“慧眼”对双中子星并合产生引力波的观测结果

 

西藏羊八井国际宇宙线观测站

 

高海拔宇宙线观测站项目模拟图

 

阿里原初引力波观测站 

 

江门中微子实验项目模拟图 

  ■本报记者 倪思洁

  太空中,550公里外的近地轨道,“慧眼”卫星(HXMT)巡视宇宙,追逐黑洞的踪影。

  高山上,4300米高的雪域之巅,高海拔宇宙线观测站(LHAASO)透过稀薄的大气层,捕捉宇宙线的痕迹。

  地底下,700米深的幽暗洞室,江门中微子实验(JUNO)从极其微弱的闪烁光中,解读中微子的奥秘。

  这些上天入地的大科学装置,来自同一个地方——中国科学院粒子天体物理重点实验室(以下简称粒子天体物理重点实验室)。

  粒子天体物理重点实验室是做什么的?它凭什么能成为那么多大科学装置的“基地”?带着疑问,《中国科学报》记者走进实验室一探究竟。

  从深地到深空

  北京,玉泉路。春夏之交,中国科学院高能物理研究所(以下简称高能所)大院里的银杏树绿意正浓,叶间不时传来清脆的鸟鸣。这里是中国第一台大科学装置——北京正负电子对撞机的所在地,也是中国第一颗X射线天文卫星——“慧眼”的诞生地。

  行走在这个始建于1973年的老牌研究所里,随处可见被岁月斑驳了墙体的低矮小楼。老楼中间,一栋高耸的新楼会忽地将人们早已飘进历史的思绪拉回现实,这栋新楼便是粒子天体物理重点实验室的所在地——多学科大楼。

  走上多学科大楼二层,人们的目光很容易被天井里一张近3层楼高的大海报锁住。

  海报上部,是一幅以星空为背景印着10颗卫星和探测器的示意图:“慧眼”硬X射线调制望远镜、增强型X射线时变与偏振探测空间天文台(eXTP)、“天极”伽马暴偏振探测仪(POLAR)、引力波暴高能电磁对应体全天监测器(GECAM)、爱因斯坦探针(EP)、中国空间站高能宇宙辐射探测设施(HERD)……

  海报中部,一座雪山绵延开来,沿着雪山,阿里原初引力波观测站、LHAASO、西藏羊八井国际宇宙线观测站从左向右依次铺开。

  海报底部,以棕褐色的土壤为背景,大亚湾反应堆中微子实验、JUNO十分醒目。

  这些看似缭乱的大科学装置,都是粒子天体物理重点实验室负责或作为主要成员参与建设的科研平台,它们遵循着相同的内在逻辑——用非加速器的手段,研究粒子物理的规律。

  通常,粒子物理学家会利用加速器让一些带电粒子加速后剧烈碰撞,由此研究物质微观结构组成以及基本粒子之间的相互作用,北京正负电子对撞机的原理正是如此。然而,粒子天体物理重点实验室里的物理学家们却不这么做。

  “粒子物理研究的是深层次的物质结构,天体物理研究的是大尺度的物理规律,粒子天体物理学则是这两个学科的交叉。对于我们来说,宇宙就是最大的‘对撞机’,我们利用大尺度的宇宙来研究深层次的物理规律。”粒子天体物理重点实验室主任张双南说。

  寻找黑洞等致密天体、捕捉宇宙线、探测中微子……粒子天体物理重点实验室里的科学家们凭借着灵敏的探测技术,直接研究自然界中的粒子,而这种研究手段,正是目前高能物理领域最前沿的方向之一。

  从坚守到绽放

  “目前,我们是国内唯一具备全方位(地下、高山和空间)、多波段(微波、光学、X射线和伽马射线)、多信使(电磁波、中微子、宇宙线)观测研究能力的实验室。”每次对外介绍粒子天体物理重点实验室时,张双南的语气中总带着一份自豪。

  这份自豪来之不易。

  1951年,粒子天体物理重点实验室的前身——宇宙线研究组,在高能所的前身——近代物理研究所成立,之后演变为高能所宇宙线室。1997年4月,经中国科学院批准,高能所成立“宇宙线和高能天体物理开放实验室”;2003年7月,更名为“粒子天体物理重点实验室”。

  “坚持研制实验装置,并基于这些装置开展研究,是我们的传统。”张双南回忆。

  1954年,在海拔3200米的云南落雪山,他们建立了中国第一个高山宇宙线实验室,由此开启了我国的宇宙线研究。

  1965年,他们建成了一套总重近300吨的大型云室系统,成为当时世界上同类装置中规模最大、水平最先进的仪器之一。

  改革开放后,他们又在甘巴拉山、怀柔、兴隆等地开展多种类型的宇宙线实验,建造了我国首个高空科学气球系统,利用球载X射线望远镜开展空间高能天文观测。

  在积极建设自己的实验和观测设备的同时,实验室还利用多颗国外高能天文卫星的观测数据开展研究,并在数据处理方法方面取得一批创新成果。

  “当时国内的经济和技术基础比较薄弱,过程非常艰难,取得的物理成果相对有限。”张双南说,“不过,在这个过程中,实验室的学术和技术基础得以加强,人才队伍也逐渐成长。”

  新世纪前后,粒子天体物理渐成国际研究热点,国家对基础研究的投入也逐年增多。蓄势待发的实验室,有了更大的发展空间。

  2000年,李惕碚、吴枚等高能天体物理学家提出并酝酿了近十年的HXMT项目,获得科技部“973”计划的支持。2005年,这一项目被当时的国防科工委选中为背景型号,并在2011年正式工程立项。

  2003年,刚回国两年的高能所现任所长王贻芳提出设想,利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子,来寻找中微子的第三种振荡。2006年,大亚湾反应堆中微子实验站项目获准立项,成为当时我国基础科学领域最大的国际合作项目。

  2006年,在羊八井中日合作ASγ实验建成运行多年之后,中意合作ARGO实验也在羊八井建成并投入观测运行。羊八井实验期间,粒子天体物理重点实验室副主任曹臻开始谋划建设新一代国际领先的宇宙线观测基地,并于2008年牵头提出了LHAASO项目。

  这些大科学装置的立项、研制、运行,为粒子天体物理重点实验室的加速前进创造了可能。

  从“一”到“多”

  对于粒子天体物理重点实验室来说,“慧眼”是旗舰般的存在。

  1993年春,20多岁的卢方军成为高能所博士生,师从李惕碚院士。半年后,李惕碚在宇宙线室高空气球载硬X射线天文观测的基础上,提出了HXMT概念,卢方军则参与做一些数据分析工作。

  这时的卢方军还不知道,自己最为黄金的科研年华将和“慧眼”紧紧绑在一起。2002年,在美国做了一年多博士后研究的卢方军回到高能所,正式加入HXMT项目。从起草项目建议书到组织任务实施,他一步步成长为HXMT系统有效载荷的总设计师。

  2017年,HXMT发射成功。卢方军用两个字来形容这颗星的研制过程——艰难。“因为我们坚持认为,实验室的第一颗卫星一定要自己做,要通过这颗星发展自己的技术,培养自己的人才。”卢方军说。

  此后粒子天体物理重点实验室几个大科学装置项目的发展,证明了“慧眼”团队的坚持是值得的。

  在“慧眼”项目中,一大批科研和技术人才成长起来,成为实验室后续项目的宝贵资源。

  实验室里的不少项目都与“慧眼”有着剪不断的“血缘”关系:HXMT的“下一代”——eXTP项目,从首席科学家到项目经理,再到有效载荷总设计师、副总设计师,几乎整个技术团队都来自“慧眼”;GECAM卫星项目的首席科学家熊少林,就是在“慧眼”项目中成长起来的青年技术骨干;EP卫星后随X射线望远镜的整个团队来自HXMT低能X射线分系统;HERD项目的技术负责人大都是“慧眼”项目培养出来的;阿里原初引力波项目的科学目标尽管与“慧眼”不同,但其主要技术队伍也都是在“慧眼”研制过程中成长起来的……

  除此之外,地下中微子项目和高山宇宙线实验也是在传承中发展壮大的。

  2013年,得益于大亚湾反应堆中微子实验积累的人才队伍、技术资源和学科方向,JUNO成功立项。JUNO项目副经理杨长根介绍,该专项的基建工程即将完工并交付使用,探测器研制方面的技术瓶颈已全部攻克并进入工程化生产阶段。

  2015年,得益于五代科学家在宇宙线领域的奋斗和积累,LHAASO正式立项。“从最早的张文裕先生一代,到我的导师一代,到我这一代,再到我的学生一代,都在不断地传承和积累,如今,我的学生也有了自己的学生。”LHAASO首席科学家曹臻说,“正是这样的传承,让粒子天体物理重点实验室的宇宙线研究方向走进了国际该领域的第一梯队。”目前,LHAASO项目已经部分投入科学运行,一批重大科学成果已现端倪。到2021年,建成的LHAASO全阵列将成为世界四大宇宙线研究基地之一。

  这些大科学装置项目,让实验室成为粒子天体物理学家的“黄埔军校”。目前,实验室职工平均年龄仅38岁,硕博士生占到95%,其中博士生占73%,硕士生占22%。

  “这种延续就是粒子天体物理重点实验室存在的意义。一个工程不是做完了就完事了,而是要为后续发展积累动力。”高能所副所长董宇辉说。

  从现在到未来

  在粒子天体物理重点实验室,科研平台建设的最主要目的是为科学研究服务。

  这些年来,凭借着日渐强大的科研平台,粒子天体物理重点实验室在致密天体观测研究、高能粒子探测及物理研究、宇宙演化研究、中微子振荡参数和反应堆中微子能谱测量、高海拔宇宙线和高能伽马射线研究方面都取得了重要突破。从2014年到2018年,粒子天体物理重点实验室共发表论文1237篇,其中SCI论文876篇。

  在做科学研究的同时,大科学装置的建设过程也为粒子天体物理重点实验室积累了不少关键核心技术。仅就LHAASO项目而言,实验人员就成功研制出精度0.1~0.2纳秒的、可在野外条件下使用的时间同步系统,确保上千个探测器实现同步;研制出第一台大视场硅光电管相机,实现了传统光电倍增管向硅光电管的升级换代。

  “基础研究对技术的带动力相当大,这些技术不仅可以回馈国家社会,也会推动未来的基础研究工作。”张双南说。

  如今,依托高能所,粒子天体物理重点实验室的固定成员有近170人,年均科研经费1亿多人民币,体量几乎相当于一个中小型研究所。“我们不再像过去那样为温饱挣扎前进,而是主动思考下一步如何走得更好。”张双南说。

  在2013年高能所的一次战略研讨会议上,王贻芳建议,粒子天体物理重点实验室要能讲清楚现在在干什么、下一步要干什么、未来还将干什么。

  这个建议与张双南的想法不谋而合。很快,粒子天体物理重点实验室提出了“四代同室”的发展策略——成果一代、研制一代、预研一代、概念一代。

  目前,在“成果一代”中,空间项目中的HXMT、POLAR、国际空间站阿尔法磁谱仪(AMS),高山项目中已经部分运行的LHAASO,地下项目中的大亚湾反应堆中微子实验,正在源源不断地产出科研成果。

  在“研制一代”中,空间项目中的GECAM卫星、中法天文卫星、EP卫星等,高山项目中的阿里原初引力波探测计划、尚在建设中的LHAASO项目,地下项目中的JUNO等,正在紧锣密鼓地研发建设。

  在“预研一代”和“概念一代”中,空间项目中的HERD、eXTP正在立项论证,下一代空间磁谱仪、“猎人星座”计划、空间光学干涉宇宙学测距的想法正在酝酿之中;高山项目正在朝着先进宇宙线和伽马观测、原初引力波和超大质量双黑洞搜寻方向努力;地下项目则朝着暗物质直接探测、未来极低成本和大体积实验的方向前进。

  “未来,我们的目标是成为特色鲜明、国际先进和领先的粒子天体物理实验室,取得重大和突破性科学成果,引领国际粒子天体物理领域的发展!”张双南说。

  他们把意大利同行说服了

  在一个开放的实验室中,国际合作是必不可少的内容。

  早在上世纪下半叶,粒子天体物理重点实验室的前身——宇宙线室就已经在开展国际合作。但是,当时的合作形式大多是中国科学家出国学习。

  “要技术没技术,要经费没经费,要人才没人才,怎么跟国外平等合作?”“慧眼”卫星系统有效载荷总设计师、中国科学院高能物理研究所副所长卢方军直言。

  随着“慧眼”卫星项目的推进,空间高能天体物理研究中的这一局面得以扭转。

  卢方军举了一个“慧眼”卫星望远镜标定的例子。“慧眼”卫星的高能X射线望远镜共有18套主探测器产品,加上备份件,数量达到了25个。对于卫星的探测器来说,地面标定是一项重要工作。没有经过标定的探测器,就像是没有刻度线的尺子,当接收到X射线时,无法准确确定入射X射线光子的能量及数量。

  2011年,“慧眼”卫星系统有效载荷研制团队决定,与中国计量院电离所合作,研究解决X射线天文卫星探测器标定技术难题。经过近3年的努力,双方从无到有,联合建立了国内首套硬X射线探测器地面标定装置HXCF。

  但由于这是中国第一次做标定工作,团队心里没有底。于是,他们拿了其中两个探头去意大利费拉拉大学做标定,以便对国内标定的结果进行验证。

  “当我们团队的人员带着设备去了那边并和他们讨论了标定方案之后,那边的教授当天就给我发了一封邮件,说我们的标定方案不正确。”卢方军回忆,“后来经过仔细讨论,我们说服了意大利同行。”

  不仅如此,对比后,大家发现,我国自主研制的标定装置无论在能量范围还是在光源稳定性等指标上都优于意方。

  这一结果,让意方建立起对“慧眼”团队的信任。之后,费拉拉大学主动要求加入“慧眼”卫星科学数据分析团队。

  “合作过程中,别人觉得你们做事靠谱,才会有信心和意愿跟你们合作。”卢方军说。

  如今,在粒子天体物理重点实验室,深入的国际合作已经越来越广泛。例如,“慧眼”卫星的继任者——eXTP就是中国发起并领导的旗舰级国际合作X射线天文台,以欧洲为主的约20个国家参加并且提供约1/3的等价实物贡献。HERD也是由中国发起并领导的项目,以欧洲为主的10个国家参加并提供约1/3的等价实物贡献。

  不仅如此,粒子天体物理重点实验室还主动组织召开各类国际学术会议,如第五届国际高海拔宇宙线研讨会、第三届亚太合作天体物理国际研讨会等。在国内外的粒子天体物理学术舞台上,粒子天体物理重点实验室的科学家也常常是主角。从2013年到2018年,实验室中参加国内外各类会议并作报告的有500余人次。

  “我们腰板硬了,不发怵了,国际合作也有底气了。”卢方军说。(倪思洁)

  中国科学院粒子天体物理重点实验室简介

  中国科学院粒子天体物理重点实验室,依托单位为中国科学院高能物理研究所,其前身为1951年在中国科学院近代物理研究所成立的宇宙线研究组,后演变为原子能研究所和高能物理研究所宇宙线室。

  著名物理学家王淦昌、张文裕、肖健等曾任宇宙线室主任,著名物理学家钱三强、何泽慧始终关心并置身于该室的科学研究。

  1997年4月,经中国科学院批准,成立“宇宙线和高能天体物理开放实验室”;2003年7月,更名为“粒子天体物理重点实验室”;2019年参加中国科学院组织的数理领域院重点实验室评估,评估成绩为A。

  粒子天体物理重点实验室围绕国际前沿和国家战略重点,以揭示深层次的物质结构、大尺度物理规律为目标,以宇宙线研究、高能天体物理研究、中微子和暗物质探测、粒子宇宙学研究等为主要研究方向,根据学科需要布局实验项目,发展核心技术,致力于将实验室建设成为粒子天体物理领域高水平的基础理论研究、粒子天体实验、新探测技术研发及高层次人才培养的基地。

  实验室的工作定位是“瞄准重大问题开展基础研究、针对学科前沿提出重大项目、建设实验平台提升仪器性能、发展核心技术支撑长远发展”。

  《中国科学报》 (2020-07-21 第4版 聚焦)


 
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