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依托大科学装置建设大型多学科研究基地(050701)
时间 : 2005-06-09     

中国科学院高能物理研究所是以大科学装置为依托的多学科综合性研究机构,是我国高能物理研究、先进加速器技术的研究开发,先进射线技术及射线应用的综合性研究基地。这个研究所建成被誉为是“我国继原子弹、氢弹爆炸成功,人造卫星上天之后,在高科技领域又一重大突破性成就”的北京正负电子对撞机,又率先在亚洲建成北京自由电子激光装置,并以建设这些大科学装置为龙头,有力推动了我国粒子物理、加速器和辐射技术的研究,推动了相关高新技术的发展。

2001年4月,高能所进入中科院知识创新二期试点时提出,要将高能所建设成具有优秀的研究和管理队伍、先进的管理体制和运行机制的世界著名的高水平科学研究机构,成为世界先进水平的高能物理实验基地和先进加速器技术发展基地,成为我国多学科开展创新性研究的重要实验基地,成为我国培养优秀科技人才的基地和促进相关高技术产业发展的基地,并为进一步将高能所建成世界一流的研究所打下坚实的基础。

几年来,高能所围绕这一目标,在学科战略布局、机制改革、人才队伍建设、科研环境建设等方面进行了一系列管理创新与实践。高能所结合国家重大需求和学科的国际前沿,积极部署前瞻性、战略性、突破性的研究工作,培育新的学科生长点;进行了考核机制、激励机制、科研管理机制等一系列管理机制的探索;改革用人制度,广泛吸纳良才,建立起一支优秀的、富有活力的科技队伍;在主要研究领域都以国家实验室和开放实验室的方式运作,加强国际、国内合作与交流,提高科学研究的创新能力;通过设立开放课题、聘请客座研究人员、建立合作研究组和联合实验室、合作培养研究生等方式来提高开放度,等等。

实践证明,这些大量卓有成效的工作取得了可喜的效果,使高能所在向建成大型多学科研究基地迈进的征程中又前进了一大步。

 

BEPC/BES实现稳定高效运行

在小平同志的亲切关怀下,1988年10月16日,凝聚着中国几代高能物理学家梦想与心血的北京正负电子对撞机(BEPC)建造成功并首次实现正负电子对撞。这是中国高能物理发展史上的一个重要的里程碑。

BEPC的优异性能为我国开展高能物理实验创造了条件。近几年,BEPC经过改进,综合性能大幅度提高,实现了长期稳定运行,日均获取的事例数提高了2~3倍,年运行时间长达10个月左右,是国际上同类加速器中运行时间最长的,其中正负电子对撞物理运行5个月,同步辐射专用运行3个月,启动和机器研究两个月。

为争分夺秒地获取更多的数据,在激烈的国际竞争中胜出,多年来,对撞机在春节、五一、国庆三个长假期间一直坚持运行。北京谱仪(BES)实验研究累计获取5800万的J/?鬃数据和1400万的?鬃(2S)数据,比此前国际上其他实验高一个数量级以上。“非典”疫情期间,所里及时调整了运行安排,推迟同步辐射专用光的运行,集中时间完成对撞物理的数据获取。在做好防疫工作的同时,运行和科研队伍聚精会神搞好科研,取得了许多高水平的研究成果。

北京同步辐射装置每年为国内百余个研究单位和大学的300~400个课题提供同步辐射实验平台,取得一批重要应用成果。BEPC的直线加速器一机多用,为实验束和慢正电子束实验等提供束流。

2004年4月30日,BEPC圆满完成15年运行任务,开始重大改造工程(BEPCII)。

 

高能物理研究取得丰硕成果

以我为主的BES国际合作,吸引了包括国内18所大学和研究所的200多位科研人员和研究生,以及来自美、日、韩等国十余所大学和研究所的数十名科研人员共同合作开展高能物理实验研究,在τ轻子质量的精确测量、R值测量、J/?鬃共振参数的精确测量、Ds物理研究、?鬃(2S)粒子及粲夸克偶素物理的实验研究、J/?鬃衰变物理的实验研究等方面取得一系列国际领先的研究成果。最主要的物理成果中突出的有以下几项。

1992年t子轻子质量测量的精确结果,纠正了过去t子轻子质量约 7MeV 实验偏差,并把精度提高了10倍。这个成果结合国际上同时期的t子轻子寿命和衰变分支比的精确实验测定,再次证实了轻子普适性原理,解决了标准模型存在的一个疑点,被国际上评价为当年最重要的高能物理实验成果之一。

1999年春,BES 对2-5 GeV能区的强子 R 值进行了测量。此测量结果将权威的粒子数据组(PDG)给出的强子R 值世界平均值的精度从15%-20% 提高到6.6%。使用BES新的R值,标准模型预言的Higgs质量(90%的置信度)的上限从170GeV改变到210GeV,中心值从61GeV改变到90GeV。这些结果使标准模型的预言与目前Higgs粒子的实验直接寻找结果相符,因而得到了国际高能物理界的高度赞扬。

2003年7月,北京谱仪合作组宣布在质子反质子阈能处发现一个可能的新共振态,在此引起国际、国内高能物理界的广泛关注。这个可能的新共振态是合作组通过分析5800万J/ψ粒子衰变的事例数据,在分析粲粒子辐射衰变到正反质子的过程中发现的。

近年来,北京谱仪合作组取得了丰硕的物理成果,仅在2004年,在世界著名杂志(Phys. Rev. Lett. , Phys. Rev. D 和Phys. Lett. B)上发表的物理文章就有26篇,超过历年水平,刷新了一批世界上权威的粒子数据手册的数据。BES物理结果在国际高能物理大会和其他国际会议上报告后,引起国际高能物理界的高度重视,被与会专家形容为“洪水般涌来的BES成果”。

 

BEPC一机两用,成为我国重要的同步辐射实验基地

BEPC一机两用,它的北京同步辐射装置(BSRF)是目前国内唯一的硬X射线同步辐射光源,提供从硬X射线到真空紫外宽波段的强辐射光,是我国重要的同步辐射技术研究基地和开展凝聚态物理、材料科学、生命科学、资源环境及微电子技术等多学科交叉前沿研究的重要基地。

每年有来自全国百余个科研单位和大学的科学家利用北京同步辐射装置进行300多个实验,取得了许多重要成果。例如,在2003年正式投入使用的我国的第一条生物大分子晶体学光束线与实验站上,首次获得了SARS病毒蛋白酶大分子结构、菠菜捕光膜蛋白晶体的结构(作为封面文章,发表在2004年3月的《自然》杂志上),并成功完成多波长异常衍射实验(MAD),标志着我国终于具备了这种重要的生物大分子结构分析的主流方法。

新建的高温高压实验装置,实验压强已超过100万大气压,最高实验温度超过7900K,获得了石墨的熔融,成为国际上第三个向用户开放的同步辐射激光加温高压实验装置。在项目中期评估中,专家组对该装置给予了很高的评价,认为“从实验装置建成速度及高难度实验的成功率等方面在高压研究领域内均是少见的”。
BSRF已经拥有一支稳定的、高水平的用户队伍,成为我国重要的同步辐射实验基地,充分发挥了对社会开放的大型科学研究平台的作用。

 

依托BEPC的实验束和强流慢正电子装置向社会开放

为了进一步挖掘BEPC的潜力,高能所建成了由BEPC直线注入器末端引出的实验束装置和强流慢正电子装置。两条束流装置可以利用同步辐射专用运行期间两次注入之间的剩余时间开展实验。它们的建成使BEPC从“一机两用”变成“一机多用”,效能得到更为充分的发挥。

实验束装置是目前国内唯一的高能粒子实验束,其性能在国际上有很好的互补性,建成后已稳定运行一年多,开展了大量探测器研究实验,并为中国农科院的国家自然科学基金合作项目“小麦种子的辐照育种研究”等提供了实验平台。

我国第一台强流慢正电子束装置,弥补了我国现有的基于放射性同位素的慢正电子束流装置正电子强度较弱的不足,使我国在慢正电子技术方面进入世界先进水平之列。该装置拓展了慢正电子束设备在材料科学和微观核探针方法学中的应用领域,填补了我国在这一研究领域内的空白。目前,也已向社会开放。

 

BEPCII工程为我国继续保持t子-粲物理研究的国际领先地位奠定基础

精确测量要求高性能的加速器提供更多的数据,要求高性能的探测器进行精密的测量。2001年国家批准对BEPC进行重大改造。

BEPC重大改造工程(BEPCII)总投资估算为人民币6.4亿元,采用当今世界上最先进的双环交叉对撞技术进行改造。改造后,对撞机的工作效率将提高约100倍,成为届时国际上最先进的双环对撞机之一。同时,探测器BES也将进行全面改造,提高测量精度,减少系统误差,并适应改造后对撞机高计数率运行的要求。为进行?子-粲能区的精确测量,探索新的物理现象奠定基础。在寻找胶子球、夸克—胶子混杂态和奇异粒子等粲物理前沿课题,预期能够取得多项具有世界领先水平的重大物理成果,其中若干原始创新性成果将对国际高能物理研究产生重要或重大的影响,使我国在今后相当时期内继续保持?子-粲物理研究的国际领先地位。
改造后BEPCII仍然是一机两用,而且BSRF的性能将大幅度提高,用户急需的硬X光的强度将提高一个数量级以上,同时兼用光的性能也将大幅度提高。目前正配合对撞机的改造对同步辐射光束线和实验站进行全面改造,进一步发挥对社会开放的大科学平台的作用。

BEPCII工程分三个阶段进行,其间插入同步辐射专用运行,以满足全国广大同步辐射用户的迫切需求。第一阶段改造直线加速器;第二阶段改造储存环,到2006年5月底完成;第三阶段是安装大型粒子探测器——北京谱仪,2006年底完成。计划在2008年通过验收。

第一阶段改造任务已于2004年12月底圆满完成。今年7月1日后,就要进入第二阶段的改造。在7月1日之前,就要进行设备的研制、测试工作。预计到2006年6月1日,新的储存环就可以开始运行。

高能物理所所长陈和生说:“到现在为止,我们克服了很多困难。因为做这件事情的难度很大,国外成功的双环电子对撞机的周长一般为2公里多,而北京正负电子对撞机的周长只有240米,比国外的小一个量级还要多。同时,对撞机改造完成后,还要做到同步辐射兼容运行。改造后的对撞机,在240米周长的环内既要给正负电子各做一个储存环,而且在外环还要提供同步辐射,因此改造的难度和压力是非常大的。”

改造工程的进展非常顺利,没有大的拖延,没有大的技术上的问题。这也是知识创新工程取得的成果。在这个过程中,参与改造的工程技术人员做了很多努力。陈和生所长强调,和大家公论的要求高精度的航天、航空领域相比,高能物理对撞机和探测器的研制对加工精度的要求还要高得多。在对撞机改造过程中,得到了国内外许多单位的大力支持,克服了很多困难,使得改造顺利进行。

 

得天独厚的西藏羊八井宇宙线观测站

高能所羊八井宇宙线观测站位于海拔4300米的雪域高原,是高能宇宙线观测的最佳地点。高能所科技人员在艰苦的条件下经历十余年时间建设起中日合作广延大气簇射阵列、中子望远镜、中子探测器等多种观测手段,获得大量的实验数据,在γ射线源的寻找和超高能宇宙线膝区物理方面已取得一批重要成果;中意合作ARGO全覆盖阵列完成,使羊八井观测站成为国际性的、世界上规模最大的高海拔大型科学观测基地。

在路甬祥院长的倡导下,建设多学科交叉平台正成为羊八井宇宙线观测站探索前进的方向。2004年7月,首届“基于羊八井平台的交叉学科研究”研讨会在拉萨召开,会议代表就羊八井观测站在空间、大气、医学和能源等学科领域可能开展的交叉研究进行了研讨。路甬祥院长后来批示:“很好!通过学科交叉研讨凝练提出新的科学思想和科学目标,下一步应是择优展开扎实的研究,力争出有重要价值的研究成果。”

 

大力推动加速器和核探测技术的产业化

高能所通过粒子物理的国际前沿实验研究和大科学装置的建设,发展和引进了大量的高技术,并将许多高新技术应用和辐射到其他领域。

例如,为满足高能物理国际合作的要求,高能所于1986年建成了我国第一条国际计算机通讯线路,率先进入国际互联网,为我国信息高速公路的发展做出积极贡献。20世纪90年代初,又率先应用和推广了WWW网页。现在,为共享计算资源和传输海量的高能物理实验数据,高能所正在积极参与建立大型网格计算平台的国际合作。

在高新技术转化工作方面,高能所充分发挥多学科综合性研究单位的优势,运用高频、超高真空、微波、精密磁铁制造等多种尖端科学技术开展科技开发工作,主要技术开发领域有加速器技术、核医学仪器、核仪器仪表技术、工业自动化技术、信息技术、精密机械加工等。

 

建设大型多学科综合研究基地

西方发达国家的科学技术水平和强大的国际竞争能力很大程度上是通过一批高水平的大型科研基地体现的。这些科研基地的基本特点是科研力量集中,承担重大研究任务的能力强;学科多样,发展新型、边缘科学和突破重大新技术的能力强。这些大型研究基地都拥有先进的大科学装置,甚至大科学装置群,作为支撑其强大研究能力的基本条件;而且许多都是由核科学研究机构发展而来。

根据国家科技发展的需求和国际上以粒子物理和核物理大科学装置为基础的大型实验室的发展趋势,在制定中长期发展规划的讨论中,高能所大多数同志都认为,高能所长远发展方向及其在国家科技创新体系的定位是依托大型科学装置的多学科研究基地,要加强与北京地区的科技机构和大学的密切合作,共同建设中国基础科学研究的“航空母舰”。

中国科学院即将进入国家知识创新工程的优化完善阶段,也更加强调创新能力的建设。对此,陈和生所长表示,研究所的生命力就在于它的创新能力,高能所的全体职工正在总结知识创新工程全面推进阶段的经验,也正在思考如何提高研究所的创新能力。包括研究所的激励机制和管理方式,应该有利于人才的培养,有利于创新成果的出现,这些方面需要高能物理所进一步深化改革。人才队伍的建设,特别是将帅人才的培养,也将是高能物理所在知识创新工程优化完善阶段将要实现的,人才是研究所跨越发展的基础。与此同时,配合对撞机的重大改造、散裂中子源的建设等等,要把高能所建成具有世界先进水平的,国际化的,多学科、综合性大型国家实验室。

依托大科学装置的大型多学科综合研究基地的雏形已然形成,高能所焕发着新的活力,为谱写我国高能物理发展史的又一辉煌篇章而全力奋斗!

 

http://www2.cas.cn/html/Dir/2005/07/01/13/08/87.htm