重大研究基礎設施領域發展觀察

李澤霞孫震冷伏海

（中國科學院文獻情報中心）

2015年，各國圍繞新物理、新材料、新能源和生命科學的重大科技基礎設施建設的升級穩步推進，探測和研究能力不斷提升，並獲得了大量突破性進展。

『 一、重要研究進展 』

1． 基礎設施的探測和研究能力不斷強化

2015年1月，江門中微子實驗啟動建設，其中微子探測器將是世界上能量精度最高、規模最大的液體閃爍體探測器。該實驗室計劃2020年投入運行並開始數據採集。2月，美國國家同步輻射光源（NSLS-Ⅱ）經過10年的設計建設後正式投入運行，其X射線的亮度比NSLS的高10000倍，它將幫助研究人員解決材料、能源、環境和醫藥等領域的大量科學問題。6月，大型強子對撞機（LHC）經過兩年多的升級測試正式恢復運行，以前所未有的能量強度（13太電子伏）為LHC上的所有實驗提供碰撞，它將在未來的3年內不間斷運行，幫助科學家發現如暗物質、反物質等一些新物理現象的證據。8月，全世界首個第四代同步加速器———瑞典四代光源MAXⅣ的首個電子束開始運行，這將有助於材料學家更加清晰地研究電池內部的化學反應，或幫助結構生物學家觀察更小的蛋白質晶體的結構。

經過4年的設計研究，高亮度強子對撞機（HL-LHC）計劃進入實施階段。10月，科研人員開始為不同的加速器部件研發工業原型，此升級計劃於2025年完成。11月，費米加速器中心將實施其質子加速器的二期升級。當加速器完成升級目標，它將為長基線中微子設施提供世界上最強的中微子束。11月，全球最敏感的暗物質探測器（XENON1T）在義大利格蘭薩索的地下實驗室開始運行，並計劃於2016年3月底開始收集數據。

2． 基於研究設施的成像技術不斷得到提升

2015年8月，美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）運用超快電子衍射（UED）技術設計完成了世界上最快的「電子攝像機」，它可以以十萬億分之一秒的快門速度記錄電子和原子核的運動信息，有助於在材料科學、化學和生物學等方面進行開創性研究。10月，瑞士保羅謝爾研究所的科研人員成功地使用商業化成像技術（CCD感測器）捕捉到太赫茲光的影像，這一技術不僅降低了成本，還能將成像的解析度提高25倍，此技術將被應用到2016年即將運行的SwissFEL的實驗裝置上。

3． 小型化科學裝置獲重大進展

加速器小型化是加速器應用技術發展的重要趨勢。隨著能量的不斷提高，加速器的大小正接近其極限，緊湊型科學裝置的研發成為其技術研發焦點，並在2015年取得了多項進展。5月，SLAC研製完成了一個商業化的X 射線源緊湊型光源（CLS），利用它可以使CT掃描到更多細節信息，這項新技術將很快應用於臨床研究，幫助研究人員更好地理解癌症和其他疾病。7月，清華大學的鮑捷和麻省理工學院的芒格巴旺迪成功研製出首個量子點光譜儀。這種光譜儀可以進行商業化生產，造價低，易於使用，體積如手機攝像頭般大小，其未來將在空間任務的科學數據收集到家用電器中集成的感測器方面具有廣泛的應用。

9月，歐洲核子研究中心（CERN）利用等離子體中產生的電荷波為粒子加速，設計並建成了小型的等離子體尾場加速器，首次在LHC上進行了測試。10月，美國、德國和加拿大的科學家們利用太赫茲輻射技術設計並建成了一個微型的加速器原型，僅有1.5厘米長、1毫米厚，它有可能產生高強度的X射線自由電子激光。研究人員計劃在此工作的基礎上研發一個基於太赫茲技術的自由電子激光，將推動太赫茲加速器在材料科學、醫學和粒子物理學等領域的實際應用中的發展。11月，戈登和貝蒂·摩爾基金會向斯坦福大學、德國電子同步加速器研究所（DESY）和漢堡大學提供1350萬美元（約1260萬歐元）的基金支持，用於設計被稱為晶元加速器（accelerate-on-a-chip）的創新粒子加速器，並製作一個全功能、可擴展的工作原型。

4． 基於重大研究基礎設施的學科研究多點開花

（1）支持新物理現象的探索。2015年7月，CERN 通過大型強子對撞機底夸克實驗（LHCb）觀測到了由五夸克粒子組成的重子態，首次確認了五夸克態的存在，證實了半個多世紀前的預測。這一發現也意味著科學家找到了物質的新形式。9月，通過對LHC數據的分析發現，B介子衰變為τ子的速度要遠超過衰變為μ子的速度。2012年SLAC的「Babar」實驗和KEK 的「Belle」實驗在5月也都觀測到了類似的異常現象，但這一結果並不符合標準模型的預測。10月，MicroBooNE探測器探測到首個中微子，這一結果標誌著高能基本粒子詳細研究的開始。12月，CERN 的CMS和ATLAS實驗均發現了一對超高能光子，其共帶有高達750吉電子伏的能量。這一結果還將進行進一步的驗證。這個神秘新粒子如果真的存在，它將推翻統治粒子物理學幾十年的「標準模型」，引發新世紀的物理學革命。

（2）推動生命科學及新藥物的發展。2015年1月，哥倫比亞大學、紐約結構生物學中心（NYSBC）和布魯克海文國家實驗室（BNL）的科學家，利用美國國家同步輻射光源（NSLS）的高強度X射線，通過對比觀察TSPO 單獨的及與類似安定化合物結合後的高解析度原子圖像，破譯了被稱為TSPO的次級蛋白結構，對這種次級相互作用的理解也將為安定副作用的研究和有效新藥物的開發提供線索。5月，阿貢國家實驗室（ANL）的研究人員利用先進光子源（APS）第一次觀察並量化了活甲蟲噴霧的內部反應機理，也將為爆炸緩解和推進技術提供新的設計原理。7 月，SLAC和DESY的研究人員利用LCLS發現了原子級細胞信號中樞「關閉」開關的運行機制，以前所未有的深度揭示了生物細胞的調節機理，也為更精確靶向藥物的研發鋪平了道路。11月，義大利研究人員利用X射線研究發現石棉和灰塵可以改變肺里的鐵平衡，這不僅是石棉塗層中蛋白質成分發生構象變化的第一個有力證據，也將有助於揭示人類暴露於石棉環境和長期遭受肺損傷之間的關係。

（3）助力新材料的研發。BNL的科學家利用NSLS-Ⅱ研究了聯硒化釕（Ruthenium Diselenide）化合物的晶體結構，使得開發具有熱電性能的新材料成為可能。他們還利用共振非彈性X 射線散射（RIXS）技術對YｂIｎCｕ4材料進行了研究，發現了一種能引發能量轉移的電子能譜間隙，不僅為解釋這種奇特磁性材料的罕見屬性取得了實驗性突破進展，也打開了利用物理學控制複雜磁性材料的大門。英國科學家利用歐洲同步輻射裝置（ESRF）發現了固載型氫轉移催化劑失活是其與醇鹽銥催化劑氯配體發生緩慢交換所引發的，進而導致了催化劑反應過程中的氯含量損耗和鉀含量累積，從而提出了一種研究複雜固載型催化劑的新方法，這種革新研究方法將成為識別催化劑失活途徑的重要方式。

（4）支持新能源的發展。BNL的科學家利用X射線技術首次揭示了催化反應進程中的原子結構變化圖，這種原位技術將可能應用於催化劑、電池、燃料電池和其他主要能源技術的相關研究。英國科學家利用X 射線束進行流化催化裂化（FCC）顆粒研究時發現，局部的金屬污染能影響微粒特性並引起催化劑老化，從而確定在原油提煉成汽油的過程中催化劑顆粒老化過程的關鍵機理，有助於提高汽油的實際生產效率。2015年9月，荷蘭科學家利用ESRF揭示了LiFePO4作為鋰離子電池電極材料在充放電過程中的相變機理，為鋰離子電池電極的工作及改進提供了新見解。

『二、重要戰略計劃與舉措』

1． 各國積極部署重大科技基礎設施的建設計劃

2015年1月，印度政府批准印度中微子天文台（INO）的建設，投資金額為150億盧比（約2.36億美元）。INO項目旨在建設一個研究中微子的世界級地下實驗室，確定中微子的質量和混合參數，並結合世界上其他的加速器實驗，解決宇宙的物質-反物質非對稱問題。3月，我國高能環形正負電子對撞機（CEPC）初步概念設計報告國際評審會在中國科學院高能物理研究所舉行。8月，我國科學家提出將在中國本土建「高能環形正負電子對撞機」和「電子—離子對撞機（EIC）」兩大超級對撞機的戰略建議。

8月，第34屆國際宇宙射線大會在荷蘭召開，中法等國的與會科學家共同提出了繼「冰立方」之後的下一代中微子天文台———巨型中微子探測射電陣列（GRAND）的建設計劃，它將用來觀測來自深空的高能中微子。10月，美國核科學顧問委員會（NSAC）通過並發布了《2015核科學長期規劃》，建議完成美國稀有同位素束流設施（FRIB）的建設之後，美國著手建設一個高能量、高亮度的電子離子對撞機（EIC），仍將連續電子束加速器裝置（CEBAF）、FRIB 和相對論重離子對撞機（RHIC）的建設升級作為重點。12月，國家發展和改革委員會（後簡稱國家發改委）批准立項多個在《國家重大科技基礎設施建設中長期規劃》（2012—2030）中優先安排的重大科技基礎設施，包括「加速器驅動嬗變研究裝置（CIADS）」「高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）」「強流重離子加速器裝置（HAIF）」「高能同步輻射光源驗證裝置」等，這些基礎設施建成後將為我國科學家提供先進的研究設施和平台。

2． 各國圍繞研究基礎設施進行研究部署

2015年6月，德國亥姆霍茲協會理事會決定為歐洲X 射線自由電子激光（X-FEL）提供3000萬歐元的項目資助，大部分資金將用於資助極端領域亥姆霍茲光束線（HIBEF）的研究，尤其是高能密度科學（HED）設備基本部件的研發，其他資金將用於資助串列飛秒晶體學（SFX）用戶協會和共振非彈性散射實驗ｈ-RIXS測量站。9月，美國布魯克海文國家實驗室公布了NSLS-Ⅱ的戰略計劃草案，將複雜結構下的動態突發行為、材料的發現和合成、催化和能源系統、環境和氣候科學、生命的結構和功能設定為NSLS-Ⅱ的優先科學領域。

美國的《2015核科學長期規劃》中，將基礎對稱性和中微子研究作為優先發展方向，以期打開通向跨越標準模型的物理學大門，並建議開發和部署以美國為主的噸級無中微子雙β衰變實驗，從而可以直接驗證中微子是否為其自身的反粒子，這對理解物質-反物質對稱性有重要意義。英國將在未來四年投入7200萬英鎊支持粒子物理前沿研究，包括資助英國科學家參與粒子物理實驗，理解暗物質、暗能量、粒子質量的來源、原子力的性質等基礎物理問題，以及粒子物理的理論研究等。

3． 國際合作是重大研究基礎設施建設和研究的主基調

2015年8月，SLAC將其獨有的XL4速調管射頻放大器運往韓國浦項加速器實驗室（PAL），並將與之合作改良加速器構造，進一步優化浦項的X 射線激光器發射的電子束。10月，歐盟的國際合作項目CREMLIN在莫斯科啟動，其目的是加強歐盟和俄羅斯在研究基礎設施方面的合作，更加有效地使用重大研究基礎設施，項目參與方包括歐盟的13個機構和俄羅斯的6個機構。

12月，美國和歐洲在粒子物理研究方面的合作進入了一個新的深化階段，美國首次簽署正式協議參與到CERN 的LHC項目中，繼續從事美國開創性的中微子研究，而歐盟的中微子研究也可以利用美國的實驗設施和平台。CERN 分別與黎巴嫩國家科學研究委員會和巴勒斯坦簽署了科學研究的國際合作協議，首次將其科研合作活動擴展到中東地區。在此協議下，黎巴嫩將參加到LHC的重離子項目和緊湊μ子探測器（CMS）的軟體升級中；巴勒斯坦之前和CERN 的合作受到諸多限制，新協議允許巴勒斯坦參加到超導環場探測器（ATLAS）的國際合作項目中。中俄超導質子聯合研究中心在合肥落戶，中國科學院等離子體物理研究所與俄羅斯聯合核子所簽署科技合作協議，共同研製中俄首台超導迴旋質子治療裝置。英國ISIS散裂中子源的研究人員向世界上最大的散裂中子源（ESS）項目交付了首批兩個關鍵儀器設備中子小角散射儀（LoKI）和水平中子反射譜儀（FREIA），這兩個設備將為ESS提供獨特的研究能力，也印證了英國ISIS散裂中子源的研究人員在ESS建設過程中發揮的重要作用。

4． 各國更加重視加強與工業界的交流和合作

各國都越來越重視重大研究基礎設施的工業應用和社會經濟影響。NSLS-Ⅱ在其戰略計劃草案中提出與工業企業合作的戰略方向、制定了更加靈活的企業用戶的使用方式、加強了對企業用戶的支持力度以及和強化了與企業的溝通。為方便與工業界的交流，CERN 專門建立了新的網站，鼓勵CERN 的研究人員和企業交流分享他們的技術、想法和專業知識，希望通過新媒體的方式使CERN 的技術儘可能地商業化，以惠及企業、經濟和社會。

『三、啟示與建議』

1． 圍繞研究基礎設施加強應用研究學科的布局

重大研究基礎設施在提供基礎物理本身探索平台的同時，藉助其強大的探測和成像能力也推動了其他學科研究的重要進展。各國基於研究基礎設施在新材料、新能源、生命科學、新藥物等方面取得了大量突破性的進展，而我國還沒有將現有研究基礎設施的應用潛力發揮得很充分，應當進一步完善基於研究基礎設施的應用研究的布局，並給予一定的支持。

2． 加強對緊湊型研究基礎設施研發的關注和支持

研究設施小型化是重大研究基礎設施研究和技術發展的重要趨勢，在提高其能量的同時，基於研究基礎設施科技成果的推廣應用和商業化也依賴於其小型化。歐美國家已經做了相應的部署並取得了重要的研究進展，獲得了緊湊型加速器的實驗裝置和原型系統。我國也應進一步加強對加速器技術的應用和商業化的支持力度。

3． 根據最新的研究發現對基礎設施建設進行超前部署

CERN 發現了一對帶有高達750吉電子伏能量的超高能光子。目前最新的設施無法對其進行研究，而正在籌劃建設的ILC和CEPC也僅適合對Higgs粒子（125吉電子伏）的研究，在設計現階段的重大研究基礎設施的過程中，應適當考慮研究可能出現的高能粒子的新一代研究基礎設施。

4． 積极參与國際合作，加強與企業界的合作

依託重大研究基礎設施解決物理學和宇宙學的基本問題，需要國際科學界的共同努力，美國和歐盟在粒子物理研究方面的合作進一步深化，俄羅斯和歐盟在研究基礎設施的使用方面加強了合作。此外，美國和歐洲都採取措施加強了研究基礎設施與企業界的合作，推動知識和技術的轉移轉化，促進其商業化，這些舉措將對我國基礎設施建設、研究和應用具有借鑒意義。

致謝：中國科學院金鐸研究員審閱了全文並提出了寶貴的修改意見，在此表示感謝！

參考文獻（略）

本文由劉四旦摘編自中國科學院編《2016科學發展報告》（中國科學院年度報告系列，北京：科學出版社，2016.08）一書「第四章 科技領域發展觀察」部分。

2016科學發展報告

（中國科學院年度報告系列）

中國科學院編

北京：科學出版社，2016.08

ISBN 978-7-03-049050-6

《2016科學發展報告》是該系列報告的第十九部，主要包括科學展望、科學前沿、2015年中國科研代表性成果、科技領域發展觀察、中國科學發展概況和中國科學發展建議等六大部分。受篇幅所限，報告所呈現的內容不一定能體現科學發展的全貌，重點是從當年受關注度最高的科學前沿領域和中外科學家所取得的重大成果中，擇要進行介紹與評述。

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