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寻找看不见的暗光子？李政道研究所闯荡基础研究“无人区”

徐瑞哲/上观新闻

2023-08-17 08:49

上海张江，李政道研究所（TDLI）的球形大厅连接着两栋平行楼宇，更像“中国筷子夹起地球”。带玻璃幕墙的球形大厅内，在所长张杰院士策划与带领下，全体研究人员通过33次集中讨论，今夏共同创作成长达600米的“天问”长卷，环绕球厅、逐层拾阶、螺旋上升。

球形大厅“天问”长卷。（资料照片）

“明明暗暗，惟时何为？阴阳三合，何本何化？九天之际，安放安属？日月安属？列星安陈？”长卷以包含170多个问题的屈原《天问》开篇，再现始于大爆炸以来138亿年的宇宙史和人类对宇宙演化规律的求索与认知，表达李所人探究自然极限、拓展科学疆域的愿景。

回答终极拷问，必先探究本原。那么，大投入、高强度、长周期的基础研究到底怎么搞？对正在建设世界顶尖研究机构的李政道研究所基础研究生态进行一番调查，或许可以告诉人们如何从源头和底层解决关键技术问题，做好实现高水平科技自立自强的答卷。

李政道研究所实验楼北楼南望

选题：无人之境，尽早去闯

在“由0变1”的基础研究领域，越是“无人区”越是要闯，而且尽早去闯。大到探宏观宇宙的望远镜，小到测微观粒子的显微镜，镜片前的李所“追光者”大有人在，这是他们必须给自己出的难题。

百余位科学家出入李所的南北楼之间，其中李数与李政道先生可谓有缘。中学生时代，他考入李政道建议创办的中国科学技术大学少年班；博士后时代，他被聘为李政道研究所首位“李政道学者”，在粒子与核物理研究部工作。

同在这个研究部门，李数与刘坤也十分有缘。这两位年轻博士加盟李所之前在法国马赛粒子物理中心就有交集，因为位于法瑞边境的欧洲核子中心大型强子对撞机，是世界高能物理研究最富引力的前沿与高地之一。

李数、刘坤（中、右）在实验中

眼下，带着追逐物质世界真理的自由与激情，他俩回归祖国、来到新所、同处一层，“自设选题”甚至自制实验，开展一项“暗光计划（Dark SHINE）”。说起暗光，两人像讨论科幻作品一样津津乐道。主流观点认为，宇宙中存在比已知物质多5倍之多的神秘物质，还未被人类用电磁手段“看见”，因此被称为“暗物质”。

那么，暗物质世界与物质世界如何联系？他们相信物质世界有量子性质的光子，相应地暗物质世界就有以其“对称性”命名的暗光子。暗光子作为一位“信使”，是连接可见与未见两个世界的媒介粒子，同时也可以被视为暗物质粒子本身——这就是“暗光计划”苦苦寻觅的全新物证。

自制实验平台

每每入夜，当李政道研究所灯火亮起，楼内李数实验室里的实验箱，总是亮着暗房一样的红光，师生们用3D打印机“从零开始”塑造自己的实验载体。他俩说，这里自上而下有一股干劲，把基础研究做实做深，才能让上层建筑平地而起。

“‘天问’是李所科研人员的科学追求，就是探究宇宙中极大和极小间的关联，追寻自然界最基本也最深刻的相互作用规律。”张杰院士表示，“全所正利用天然的极端环境、人工创造的极端条件、使用极端探测手段，探索和调控极端新奇物态。”深入“未至之境”，得大道者得天下。

刘坤实验室。（资料照片）

投入：各方筹措，先行小试

凭借看不见摸不着的暗光子，建立一套与暗物质的“对话沟通”全新机制，其实属于高风险、非共识、颠覆性项目，用李数、刘坤他们的话讲，“这也是一个盲盒。”

然而，按照上海市《关于加快推动基础研究高质量发展的若干意见》，百万级经费支持他们长期深耕基础前沿。青年科学家获得的科研“第一桶金”一般不超过50万元，而且某些“另辟蹊径”的研究难以得到有效识别和及时支持。基于“基础研究特区计划”首批试点，上海市科委资助1个亿，上海交大配套1个亿。李政道研究所也划入“特区”，李数成了首批10位入选学者之一。

“特区计划”资助的200万元，也是34岁李数拿到的首张“百万级”项目支票。入选后，这位项目牵头人又申报了国家自然科学基金委的原创探索计划项目，成为交大物理天文方向首次获批的该类项目，也成为去年基金委数理科学部仅有的6个原创探索类入选项目之一。

量子材料样品

不可否认，社会上有观点认为，基础研究投进去这么多钱，“回报率”怎么说？刘坤隔壁办公室里，也是一位携夫带娃海归安家的青年科学家。作为量子基础科学研究部的“李政道学者”，钟瑞丹天天在实验室试管里“育种”，让新型量子材料在其间生长。“就像100多年前，当玻尔在研究氢原子结构时，他也没有想过发展出量子力学。”她说，“而如果没有量子力学，从电脑到手机，我们使用的这些电子产品或许都不可能存在，看似‘无用’的基础研究才是之后科技发展的基础。”

实验楼办公室门前

事实上，李政道研究所正是对标20世纪初诞生的哥本哈根学派、策源量子科技革命的尼尔斯·玻尔研究所建立的。百年老所至今常青，去年还传出消息：北约拟在玻尔研究所设立新的量子技术开发中心。当比它更大规模的李所实验楼在沪启用之时，那一年刚刚度过95岁生日的李政道从大洋彼岸托付长子捎上亲笔信说：“虽然不能亲临这一历史性时刻，但亦感到无比开心和激动。”

“暗光计划”探测单元示意图

各方筹措，也先小试，不打无准备之仗。从闪亮的硅光电倍增管，到透明的塑料闪烁体，刘坤实验室正利用特殊材料，手工搭建用于探测“暗光子”的粒子轨迹探测器。解放日报·上观新闻记者见到，仅30微米宽的30条硅条形成高灵敏的探测器，精密到只有高度集成的毫米级芯片大小。

“暗光计划”预期实验灵敏度与国际同类实验对比图

这只是国内首个电子打靶寻找暗光子的实验雏形，之后他们还将逐步“放大”尺度，形成3米×3米的更大探测模型，从而走向张江科学城的大科学装置，开辟一条暗物质探测“新赛道”，有望揭示出前所未有的世间第五种作用力——暗电磁相互作用力。刘坤计划通过3年运行与验证，实现9×10的14次方电子打靶，预期好于在国际竞争中的同类型实验。