徐漢屏

萊頓低溫實(shí)驗(yàn)室

萊頓低溫實(shí)驗(yàn)室處在荷蘭老萊茵河上距離海牙20km的萊頓市，屬于歷史悠久的萊頓大學(xué)。萊頓大學(xué)的130多座建筑設(shè)施，分布在萊頓市的各個(gè)角落。這些建筑設(shè)施為萊頓市容增添光彩，使萊頓贏得了“大學(xué)城”的美名。萊頓低溫實(shí)驗(yàn)室就坐落于市中心。

萊頓低溫實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)始人是低溫物理學(xué)家昂尼斯。他于1853年9月21日生于荷蘭東北部的格羅寧根。

1882年，29歲的昂尼斯被任命為萊頓大學(xué)物理學(xué)教授和物理實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人。當(dāng)時(shí)物理學(xué)正處在一個(gè)轉(zhuǎn)變的時(shí)代，人們?cè)絹碓街匾曃锢韺?shí)驗(yàn)。昂尼斯在擔(dān)任萊頓大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人后，就決定把研究低溫物理作為主攻方向。

要進(jìn)行低溫方面的實(shí)驗(yàn)，首先就要獲得低溫。低溫要靠液化氣體獲得，當(dāng)時(shí)只有氫和氦還未被液化。英國物理學(xué)家杜瓦從1877年開始研究，經(jīng)過二十多年，于1898年液化了氫。昂尼斯領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室為了滿足低溫研究的需要，于1892?1894年建成了大型的液化氧、氮和空氣的工廠，1906年可以大量生產(chǎn)液氫，為液化氦打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。又經(jīng)過兩年奮斗，實(shí)驗(yàn)室終于在1908年7月成功地液化了氦，為在液氦溫度下研究物質(zhì)的性質(zhì)創(chuàng)造了條件。

金屬的電阻問題是昂尼斯的一個(gè)重要研究課題。當(dāng)時(shí)對(duì)金屬的電阻在絕對(duì)零度附近如何變化，有不同的說法。有人認(rèn)為純金屬的電阻應(yīng)隨溫度的降低而逐漸變小，并最終在絕對(duì)零度消失。昂尼斯最初相信的是開爾文1902年提出的另一種觀點(diǎn)，即隨著溫度的降低，金屬的電阻在達(dá)到一個(gè)極小值后，會(huì)由于電子凝聚到金屬原子上而變?yōu)闊o限大。昂尼斯由于掌握了液化氦的技術(shù)，因而具備了從實(shí)驗(yàn)上研究這一問題的條件。1911年2月，他測(cè)量了金和鉑在液氦溫度下的電阻，發(fā)現(xiàn)在4.3K以下，鉑的電阻保持為一常數(shù)，而不是達(dá)到一個(gè)極小值后再增大。因此他改變了原來的看法，而認(rèn)為純鉑的電阻應(yīng)在液氦溫度下消失。

為了檢驗(yàn)自己的看法，昂尼斯選擇了汞作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，因?yàn)楣绕渌饘偃菀滋峒?。?shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了令人意想不到的奇特現(xiàn)象：汞的電阻在4.2K左右突然消失。1911年4月?11月，昂尼斯在連續(xù)三篇論文中詳細(xì)地?cái)⑹隽怂膶?shí)驗(yàn)結(jié)果。1913年，昂尼斯又發(fā)現(xiàn)錫和鉛也具有和汞一樣的超導(dǎo)電性，不純的汞也具有超導(dǎo)電性。

由于昂尼斯對(duì)萊頓低溫實(shí)驗(yàn)室的出色領(lǐng)導(dǎo)和管理，該實(shí)驗(yàn)室在低溫領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭，逐漸在國際上贏得了日益重大的聲譽(yù)。特別是它以大規(guī)模工業(yè)技術(shù)發(fā)展實(shí)驗(yàn)室，開創(chuàng)了大科學(xué)的新紀(jì)元。有許多國外學(xué)家曾來到萊頓大學(xué)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室短期或較長期地工作。他們之中不僅有昂尼斯的合作者，還有其他來自世界各地的學(xué)者和技師，到萊頓研究或?qū)W習(xí)的主要課題是低溫學(xué)。萊頓低溫實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了只比絕對(duì)零度高千分之一度的低溫，被稱為“世界上最冷的地方實(shí)驗(yàn)室成了20世紀(jì)初全世界低溫研究的中心，并一直在低溫和超導(dǎo)領(lǐng)域居領(lǐng)先地位。

昂納斯為萊頓大學(xué)建立了世界上第一座低溫實(shí)驗(yàn)室，因制成液氦和發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象于1913年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1926年2月21日，昂納斯逝于荷蘭的萊頓?！皬膶?shí)驗(yàn)中獲得知識(shí)”，這是昂納斯生前的名言，今天它仍然高懸在實(shí)驗(yàn)室的大門上。

莫達(dá)訥地下實(shí)驗(yàn)室

莫達(dá)訥地下實(shí)驗(yàn)室（簡稱LSM）位于法國東部羅納—阿爾卑斯大區(qū)薩瓦省的邊境小鎮(zhèn)莫達(dá)訥，深藏于阿爾卑斯山脈弗雷瑞斯山峰下1.7km的巖石中，處于連接法國薩瓦省和意大利西北的皮埃蒙特大區(qū)的弗雷瑞斯交通公路隧道的正中央，離入口處約6.5km。莫達(dá)訥地下實(shí)驗(yàn)室面積400m²，空間容積約3500m³.由于所處地下1.7km的特殊地理位置，莫達(dá)訥地下實(shí)驗(yàn)室有效地屏蔽了時(shí)刻照射人類的宇宙射線。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室所有建造探測(cè)器的材料都經(jīng)過嚴(yán)格篩選、精確測(cè)試，為最低放射性水平，以避免探測(cè)器受到天然放射性元素的潛在干擾，極大地提高了探測(cè)器的靈敏度和純度。

該實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建于20世紀(jì)80年代初，是法國國家核物理和粒子物理研究所與宇宙學(xué)研究所的一個(gè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，二者又分別隸屬于法國國家科學(xué)研究中心和法國原子能署。

1982年，莫達(dá)訥地下實(shí)驗(yàn)室正式開放。實(shí)驗(yàn)室最初用于屏蔽大氣中的宇宙射線，探測(cè)質(zhì)子潛在的不穩(wěn)定性，開展天體物理的基礎(chǔ)研究，揭示宇宙的起源、組成和演變等奧秘。

1988年后，通過國際合作，該實(shí)驗(yàn)室的研究擴(kuò)展至暗物質(zhì)、中微子、雙β衰變和超重化學(xué)元素，涉及核物理、粒子物理、宇宙學(xué)、地球科學(xué)、光譜學(xué)、微電子學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域，主要開展了以下四大實(shí)驗(yàn)：

其一、EDELWEISS實(shí)驗(yàn)——探測(cè)WIMPs粒子，尋找暗物質(zhì)。莫達(dá)訥地下實(shí)驗(yàn)室從20世紀(jì)90年代開始研發(fā)第一代超低溫鍺探測(cè)器Edelweissl。它能夠分辨WIMPs粒子弱相互作用的信號(hào)和天然放射性核素產(chǎn)生的干擾信號(hào)。自2006年以來，實(shí)驗(yàn)室的科研人員與德國、俄羅斯和英國的科學(xué)家們合作，共同開發(fā)了高靈敏度高純鍺的新一代探測(cè)器EdelweissII。它由高性能的低溫恒溫器、鉛屏蔽、聚乙烯屏蔽、閃爍體等組合而成，最大限度地隔離了周圍放射性核素對(duì)探測(cè)器的干擾。2007年又研發(fā)了新型鍺探測(cè)器，使探測(cè)WIMPs粒子的能力大大提高，同時(shí)也使法國躋身暗物質(zhì)直接探測(cè)的領(lǐng)先行列。實(shí)驗(yàn)室還研發(fā)了鈮硅鍺探測(cè)器（GeNbSi），功能與ID鍺探測(cè)器相同，還有球形熱電離鍺探測(cè)器、中子探測(cè)器等。

其二、NEMO實(shí)驗(yàn)——中微子和雙β衰變研究。探測(cè)中微子的一個(gè)必要條件是宇宙線屏蔽。如果在地面站進(jìn)行中微子實(shí)驗(yàn)，探測(cè)到的宇宙線將比中微子多200萬倍，信號(hào)將完全淹沒于本底輻射。因此地下實(shí)驗(yàn)室是最理想的場(chǎng)所。莫達(dá)訥地下實(shí)驗(yàn)室致力于尋找無中微子釋放的雙卩衰變這一新的放射形式。雙β衰變實(shí)驗(yàn)是學(xué)術(shù)界公認(rèn)的探索中微子質(zhì)量的理想途徑，是判斷中微子是否是其本身反粒子的唯一方法。它將證實(shí)中微子是一種非零質(zhì)量的粒子，并推算出質(zhì)量，揭示中微子的性質(zhì)，進(jìn)而了解人類如何由碳、水分子和基于原子的化學(xué)反應(yīng)組成，了解生命的起源、宇宙的組成和演變。這一實(shí)驗(yàn)開始兩年后已終止運(yùn)行，后續(xù)SuperNEMO實(shí)驗(yàn)正處于研發(fā)階段。endprint

其三、TGV實(shí)驗(yàn)——雙β衰變研究。該實(shí)驗(yàn)采用垂直鍺望遠(yuǎn)鏡TGV，由莫達(dá)訥地下實(shí)驗(yàn)室與俄羅斯杜布納聯(lián)合原子核研究所共同開展，利用32臺(tái)直徑60mm的平面鍺探測(cè)器進(jìn)行雙β衰變研究。

其四、SHIN實(shí)驗(yàn)——尋找自然界中的超重元素?？茖W(xué)家們猜測(cè)：自然界中未知的超重元素的生命周期非常長，現(xiàn)在仍存在于自然界中。該實(shí)驗(yàn)試圖追蹤這些長生命周期的元素（擁有108或114個(gè)質(zhì)子）及其自發(fā)裂變后的放射性衰變產(chǎn)物。

莫達(dá)訥地下實(shí)驗(yàn)室發(fā)展和完善了用于超低放射性水平樣本測(cè)量的探測(cè)器和平臺(tái)，它擁有世界領(lǐng)先的14臺(tái)尖端的γ能譜超低本底鍺探測(cè)器，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、超純材料遴選、海洋放射性普查、地質(zhì)學(xué)和年代的準(zhǔn)確鑒定，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器靜態(tài)測(cè)試，甚至包括對(duì)波爾多葡萄酒酒齡的鑒定方面進(jìn)行了獨(dú)特的應(yīng)用研究，為世界不同國家和地區(qū)的低放射性水平樣品提供了高靈敏度的測(cè)量服務(wù)。

歐洲核子研究中心

歐洲核子研究中心（簡稱CERN）位于法國和瑞士的交界處，是世界上最大的粒子物理研究中心，是一個(gè)旨在探索“宇宙開始時(shí)最基本的東西是什么”等問題的純科學(xué)的物理研究機(jī)構(gòu)。它的主要功能，是為高能物理學(xué)研究的需要，提供粒子加速器和其他基礎(chǔ)設(shè)施，以進(jìn)行許多國際合作的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)也設(shè)立了資料處理能力很強(qiáng)的大型電腦中心，協(xié)助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，供其他地方的研究員使用，形成了一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)中樞。

歐洲核子研究中心是在聯(lián)合國教科文組織的倡導(dǎo)下，由歐洲11個(gè)國家從1951年開始籌劃創(chuàng)立的，現(xiàn)已有26個(gè)成員方。經(jīng)費(fèi)由各成員方分?jǐn)?，所長由理事會(huì)任命，任期5年。下設(shè)管理委員會(huì)、研究委員會(huì)和實(shí)驗(yàn)委員會(huì)，組織精干，管理完善。研究中心已經(jīng)聘用大約3000名的全職員工，并有大約6500位科學(xué)家和工程師在此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他們來自包括中國在內(nèi)的80多個(gè)國家，代表著500余所大學(xué)機(jī)構(gòu)。這些人員大約占了全世界粒子物理學(xué)研究人員的一半。

這個(gè)研究中心建有兩個(gè)國際研究所，供世界著名的科學(xué)家小組研究亞原子核的結(jié)構(gòu)及其理論。第一研究所裝有6×10⁸eV的同步回旋加速器，2.8×10¹⁰eV的質(zhì)子同步加速器等。第二研究所在第一研究所旁邊，它裝有一臺(tái)周長約7km的新質(zhì)子同步加速器。

歐洲核子研究中心同時(shí)也是萬維網(wǎng)（WWW）的發(fā)源地，萬維網(wǎng)是為改善和加速在世界上不同大學(xué)和研究所工作物理學(xué)家們之間的信息共享而開發(fā)出來的，而現(xiàn)在它的學(xué)術(shù)和商業(yè)的用戶已達(dá)千百萬。日前，歐洲核子研究組織成立了網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展中心，主持歐洲科學(xué)網(wǎng)格計(jì)劃（EGEE）、大型強(qiáng)子對(duì)撞器網(wǎng)格計(jì)算計(jì)劃和CERN網(wǎng)際網(wǎng)路交換點(diǎn)（CⅨP）。

數(shù)十年來，該研究中心先后建成質(zhì)子同步回旋加速器、質(zhì)子同步加速器、交叉儲(chǔ)存環(huán)（ISR）、超質(zhì)子同步加速器（SPS）、大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP）、大型強(qiáng)子對(duì)撞器（LHC），并擁有世界上最大的氫氣泡室（BEBL）。

歐洲核子研究中心所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，在粒子物理學(xué)中取得了重要成就，其中包括：1973年，加爾加梅勒氣泡室發(fā)現(xiàn)了中性流；1983年，UA1和UA2發(fā)現(xiàn)了W及Z玻色子；2012年，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的緊湊渺子線圈（CMS）探測(cè)到質(zhì)量為125.3±0.6GeV的新玻色子，超環(huán)面儀器（ATLAS）測(cè)量到質(zhì)量為126.5GeV的新玻色子，探測(cè)到的新粒子是希格斯玻色子。

該研究中心的意大利科學(xué)家魯比亞因證實(shí)傳遞弱相互作用的中間矢量玻色子W^2±和Z⁰的存在，荷蘭科學(xué)家范德米爾因發(fā)明粒子束的隨機(jī)冷卻法，使質(zhì)子-反質(zhì)子束對(duì)撞產(chǎn)生W^2±和Z⁰粒子的實(shí)驗(yàn)成為可能，共同獲得1984年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。endprint