這項(xiàng)突破性的成果依托國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——位于四川稻城海拔4410米的高海拔宇宙線觀測(cè)站(以下稱拉索，LHAASO)獲得。
“天文學(xué)是一門依賴觀測(cè)的基礎(chǔ)研究，觀測(cè)手段的進(jìn)步會(huì)為人類天文學(xué)研究帶來前所未有，甚至是顛覆性的發(fā)現(xiàn)。”拉索首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻告訴《瞭望》新聞周刊記者。當(dāng)前，世界已經(jīng)進(jìn)入大科學(xué)時(shí)代，重大科技基礎(chǔ)設(shè)施能夠提供人類從事前沿研究所必需的極限的、綜合的研究手段，是支撐戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、前瞻性基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要平臺(tái)。我國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施作為“國(guó)之重器”“科技利器”，是科技基礎(chǔ)能力的重要組成部分。
上世紀(jì)60年代至今，我國(guó)在建和運(yùn)行的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目總共58項(xiàng)，中國(guó)科學(xué)院承擔(dān)建設(shè)運(yùn)行的設(shè)施達(dá)33項(xiàng)。為充分利用重大科技基礎(chǔ)設(shè)施開展科研，強(qiáng)化跨所、跨設(shè)施、跨學(xué)科的協(xié)同攻關(guān)，2021年11月，中國(guó)科學(xué)院“基礎(chǔ)研究十條”提出開展依托國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的建制化基礎(chǔ)研究。
中國(guó)科學(xué)院院士、大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)和江門中微子實(shí)驗(yàn)首席科學(xué)家王貽芳認(rèn)為，重大科技基礎(chǔ)設(shè)施為開展前沿性、基礎(chǔ)性研究提供了重要平臺(tái)。統(tǒng)籌規(guī)劃現(xiàn)有裝置的機(jī)時(shí)資源與軟硬件優(yōu)勢(shì)，搭建前沿交叉研究平臺(tái)，瞄準(zhǔn)顛覆性技術(shù)、原創(chuàng)性科學(xué)成果，開展規(guī)模化的集團(tuán)攻堅(jiān)，有望形成一批基礎(chǔ)研究成果，在綜合國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)中搶占科研實(shí)力制高點(diǎn)。
重大科技基礎(chǔ)設(shè)施就是要出大成果
宇宙線是高能粒子流(帶電粒子、光子和中微子等)的總稱，作為“天外來客”攜帶著宇宙起源、天體演化、星際空間環(huán)境、太陽(yáng)活動(dòng)及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息。受探測(cè)器功能與性能水平的影響，自110年前發(fā)現(xiàn)宇宙線至今，科學(xué)界尚未形成一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)模型”能完整地描述其起源、加速及星際空間傳播的機(jī)制。
宇宙線研究作為科學(xué)界競(jìng)相角逐的領(lǐng)域，在21世紀(jì)第一個(gè)10年，多國(guó)研究部門紛紛提出下一代伽馬天文觀測(cè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃：歐洲提出建造100多臺(tái)大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成的陣列(CTA)計(jì)劃;美國(guó)選擇了一條通過升級(jí)改造實(shí)現(xiàn)適度提升靈敏度的高海拔水切倫科夫探測(cè)器(HAWC)計(jì)劃;中國(guó)則提出建設(shè)拉索的計(jì)劃。
拉索于2021年7月建成運(yùn)行，正以前所未有的伽馬射線探測(cè)靈敏度，將伽馬天文的研究帶入從未觀測(cè)過的新波段，開啟并引領(lǐng)人類進(jìn)入超高能伽馬射線天文學(xué)時(shí)代。
曹臻介紹，拉索獲取來自宇宙信使的大量觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究這些數(shù)據(jù)需要一批高水平團(tuán)隊(duì)協(xié)作，共同依托設(shè)施開展觀測(cè)與數(shù)據(jù)分析。“2022年10月9日，拉索接收到伽馬射線暴后，我們迅速組織多個(gè)團(tuán)隊(duì)開展了數(shù)據(jù)分析與理論解釋工作。其中數(shù)據(jù)分析結(jié)果由中國(guó)科學(xué)院高能物理所給出，理論解釋由南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等提供，研究成果集體署名，充分體現(xiàn)了建制化科研的優(yōu)勢(shì)。”
目前，已有32個(gè)國(guó)內(nèi)外天體物理研究機(jī)構(gòu)成為拉索的國(guó)際合作組成員，成員約280人，協(xié)作研究宇宙射線的起源，同時(shí)開展宇宙學(xué)、天文學(xué)、粒子物理學(xué)等眾多領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究。
中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)與教育局副局長(zhǎng)盧方軍介紹，除了天文學(xué)，中國(guó)科學(xué)院承擔(dān)建設(shè)運(yùn)行的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施還分布在粒子物理、核物理、聚變物理、海洋等領(lǐng)域，還有先進(jìn)光源、散裂中子源、科考船等多學(xué)科平臺(tái)型設(shè)施，形成了涵蓋前瞻引領(lǐng)型、戰(zhàn)略導(dǎo)向型、應(yīng)用支撐型的設(shè)施布局。
這些重大科技基礎(chǔ)設(shè)施在各自領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮了關(guān)鍵作用，部分裝置綜合水平邁入全球“第一方陣”，產(chǎn)出了一大批有國(guó)際影響力的重大科學(xué)成果。例如，“中國(guó)天眼”在快速射電暴的研究中取得了一系列國(guó)際領(lǐng)先的重大成果，也是目前國(guó)際上發(fā)現(xiàn)脈沖星效率最高的望遠(yuǎn)鏡;東方超環(huán)(EAST)磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)裝置在2023年4月創(chuàng)造了穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行403秒世界紀(jì)錄，是可控核聚變史上的一個(gè)里程碑;穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置也刷新了同類型磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度的世界紀(jì)錄。這些成果標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域研究中進(jìn)入國(guó)際最前沿。
此外，依托重大科技基礎(chǔ)設(shè)施突破了一批關(guān)鍵核心技術(shù)，解決了一批國(guó)家重大需求。例如，中國(guó)散裂中子源在高鐵輪轂等工程材料缺陷檢測(cè)中發(fā)揮了重要作用;武漢國(guó)家生物安全實(shí)驗(yàn)室在世界上首次檢測(cè)出新冠病毒全基因組序列，首次分離出病毒毒株，為抗擊新冠疫情作出了不可替代的貢獻(xiàn);依托長(zhǎng)短波授時(shí)系統(tǒng)研制出目前國(guó)際唯一的光抽運(yùn)小銫鐘;依托蘭州重離子裝置研制出重離子治癌裝置等。
“重大科技基礎(chǔ)設(shè)施還有力支撐了國(guó)家創(chuàng)新高地建設(shè)的戰(zhàn)略布局。北京懷柔、上海張江、安徽合肥、大灣區(qū)等4個(gè)綜合性國(guó)家科學(xué)中心主要依托中國(guó)科學(xué)院建設(shè)運(yùn)行的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施集群建設(shè)。”中國(guó)科學(xué)院條件保障與財(cái)務(wù)局副局長(zhǎng)楊為進(jìn)介紹。
強(qiáng)化跨所、跨設(shè)施、跨學(xué)科的建制化攻關(guān)
為更好發(fā)揮重大科技基礎(chǔ)設(shè)施效能，2021年底，中國(guó)科學(xué)院在物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、天文三個(gè)領(lǐng)域試點(diǎn)，啟動(dòng)了第一批依托重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的建制化科研平臺(tái)項(xiàng)目，計(jì)劃以5年為周期，給予穩(wěn)定經(jīng)費(fèi)支持。這些項(xiàng)目注重發(fā)揮中國(guó)科學(xué)院建制化優(yōu)勢(shì)，將某一領(lǐng)域的領(lǐng)銜科學(xué)家團(tuán)隊(duì)和重大科技基礎(chǔ)設(shè)施依托單位科研人員組織起來，利用重大科技基礎(chǔ)設(shè)施開展科研，強(qiáng)化跨所、跨設(shè)施、跨學(xué)科的建制化攻關(guān)。
——以國(guó)家重大需求為導(dǎo)向設(shè)立建制化科研平臺(tái)，更主動(dòng)地聯(lián)合攻關(guān)解決國(guó)家重大需求“卡脖子”問題。例如，中國(guó)科學(xué)院物理研究所瞄準(zhǔn)下一代量子材料與技術(shù)，依托重大科技基礎(chǔ)設(shè)施開展“新奇量子物態(tài)與綜合極端調(diào)控”建制化科研項(xiàng)目。專項(xiàng)利用綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置、上海光源、中國(guó)散裂中子源等重大科技基礎(chǔ)設(shè)施具備的相關(guān)條件，聚焦先進(jìn)量子材料與技術(shù)前沿研究中的重大科學(xué)問題，組建建制化研究團(tuán)隊(duì)，開展建制化科研攻關(guān)，目前已初步形成了在目標(biāo)導(dǎo)向下利用全鏈條(材料的理論設(shè)計(jì)、計(jì)算和性能預(yù)測(cè)—材料制備—結(jié)構(gòu)和物性表征—綜合極端條件下的物態(tài)調(diào)控—器件制備和性能測(cè)試)、多手段(時(shí)間、動(dòng)量空間/實(shí)空間、溫度、壓力、磁場(chǎng)等)，打破學(xué)科界限，促進(jìn)交叉融合，以材料(物質(zhì))體系為載體，以物性的重大發(fā)現(xiàn)為突破口，以原型器件為應(yīng)用目標(biāo)的建制化科研協(xié)同攻關(guān)新模式。
——發(fā)揮強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合優(yōu)勢(shì)，綜合利用多種手段研究同一個(gè)科學(xué)問題。例如，聯(lián)合使用中國(guó)散裂中子源和高能同步輻射裝置，發(fā)揮中子源穿透能力強(qiáng)、對(duì)輕原子敏感的特點(diǎn)和同步輻射光實(shí)驗(yàn)分辨率高、對(duì)重原子敏感的特點(diǎn)，對(duì)被測(cè)物品的性能給出多方位的判斷。
——創(chuàng)新組織管理體系，建立項(xiàng)目首席科學(xué)家、顧問委員會(huì)和建制化科研平臺(tái)執(zhí)委會(huì)制度。聘請(qǐng)國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域多名院士和教授組成顧問委員會(huì)，為執(zhí)委會(huì)制定戰(zhàn)略發(fā)展方向和研究目標(biāo)等提供咨詢和建議。例如中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院?jiǎn)?dòng)了面向二氧化碳的光子科學(xué)建制化科研平臺(tái)項(xiàng)目，該項(xiàng)目瞄準(zhǔn)二氧化碳捕集利用關(guān)鍵核心問題，主要依托上海光源，組建一支涵蓋光子科學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)等多學(xué)科交叉的建制化研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行科研。邀請(qǐng)二氧化碳捕集與轉(zhuǎn)化利用和光子科學(xué)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)頂級(jí)專家以及能源領(lǐng)域龍頭企業(yè)、二氧化碳排放源主要企業(yè)的首席科學(xué)家作為科技咨詢組專家成員，提供顧問指導(dǎo)。上海光源積極推進(jìn)制度措施優(yōu)化，保障建制化項(xiàng)目研究機(jī)時(shí)。在具體運(yùn)行中，科研團(tuán)隊(duì)由中國(guó)科學(xué)院上海高研院進(jìn)行雙聘管理，實(shí)行科研平臺(tái)主任和首席科學(xué)家雙負(fù)責(zé)人制，按照研究方向設(shè)置的課題組實(shí)行科研負(fù)責(zé)人和重大科技基礎(chǔ)設(shè)施負(fù)責(zé)人雙負(fù)責(zé)人制，一方面在研究領(lǐng)域上形成互補(bǔ)，一方面在團(tuán)隊(duì)管理上形成合力。
目前，通過兩年的探索實(shí)踐，第一批試點(diǎn)項(xiàng)目取得了一批成果。
“新奇量子物態(tài)與綜合極端調(diào)控”建制化科研項(xiàng)目已取得了“系統(tǒng)研究了籠目結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體AV3Sb5的多種物性，揭示了超導(dǎo)、電荷密度波及反常霍爾效應(yīng)等性質(zhì)的起源和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系”“發(fā)現(xiàn)單帶Mott絕緣體”“在鐵基超導(dǎo)材料鋰鐵砷(LiFeAs)中觀測(cè)到大面積、高度有序、可調(diào)控的馬約拉納準(zhǔn)粒子格點(diǎn)陣列”“構(gòu)建國(guó)際先進(jìn)的量子計(jì)算云平臺(tái)”等為代表的階段性研究進(jìn)展與成果。
二氧化碳的光子科學(xué)建制化科研平臺(tái)項(xiàng)目，發(fā)展了模擬工況條件的同步輻射原位X射線吸收譜實(shí)驗(yàn)方法，在原子尺度上解析了臨氧條件下二氧化碳捕集—轉(zhuǎn)化過程中金屬位點(diǎn)氧化—還原的動(dòng)態(tài)機(jī)制及其構(gòu)效關(guān)系，設(shè)計(jì)了具備“犧牲位點(diǎn)”的吸附—催化雙功能材料，完成了準(zhǔn)千方級(jí)小試，達(dá)到較高的碳捕集率和轉(zhuǎn)化率。目前聯(lián)合產(chǎn)業(yè)方初步完成驗(yàn)證方案，為傳統(tǒng)高碳行業(yè)向低碳變革提供了有效途徑。
進(jìn)一步挖掘重大科技基礎(chǔ)設(shè)施潛力
重大科技基礎(chǔ)設(shè)施已成為國(guó)家科技創(chuàng)新體系的重要單元，是基礎(chǔ)科學(xué)研究和高新技術(shù)發(fā)展的重要載體。為應(yīng)對(duì)國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)的重大挑戰(zhàn)，迫切需要進(jìn)一步挖掘依托重大科技基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行建制化基礎(chǔ)研究的潛力。
當(dāng)前，空間集群化、功能集成化、設(shè)施建制化已經(jīng)成為各國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的主要運(yùn)行管理模式。平臺(tái)型重大設(shè)施與材料/生物研究重大設(shè)施、數(shù)據(jù)計(jì)算重大設(shè)施具有天然的“互補(bǔ)性”，重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“組隊(duì)”和材料研究中心、數(shù)據(jù)計(jì)算中心等協(xié)同布局已成為發(fā)展趨勢(shì)。
強(qiáng)流重離子加速器裝置總工程師、中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所研究員楊建成認(rèn)為，為了更好支撐基礎(chǔ)前沿研究，我國(guó)要做好重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的整體規(guī)劃，優(yōu)化重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的學(xué)科和地域布局。
中國(guó)散裂中子源探測(cè)器與電子學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人孫志嘉建議，加快推進(jìn)“粵港澳大灣區(qū)光源”的落地建設(shè)，將散裂中子源與同步輻射光源組合，發(fā)揮重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的集群效應(yīng)，打造多學(xué)科前沿交叉應(yīng)用平臺(tái)，支撐高新技術(shù)企業(yè)技術(shù)迭代，推動(dòng)粵港澳大灣區(qū)高端制造業(yè)發(fā)展。
王貽芳認(rèn)為，可以借鑒國(guó)際上其他重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的組織模式，通過頂層設(shè)計(jì)，依托同步輻射裝置、散裂中子源等裝置，組建“四個(gè)面向”研究中心。例如建設(shè)面向世界科技前沿的成像研究中心、生物研究中心等;建設(shè)面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康的納米醫(yī)學(xué)研究中心、材料研究中心等;支撐科學(xué)研究的科學(xué)數(shù)據(jù)與計(jì)算中心等。
“中心要改變?cè)辛闼榈姆?wù)模式，通過組織國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)研究力量，在納米、材料、生物、環(huán)境等重要方向上形成相對(duì)固定的大團(tuán)隊(duì)，以建制化、集團(tuán)化的方式長(zhǎng)期攻關(guān)，開展重大研究。”王貽芳表示。
“建制化基礎(chǔ)科學(xué)研究就是有組織的基礎(chǔ)科學(xué)研究，而有組織就是要定好目標(biāo)、分好工。”孫志嘉說，在建制化基礎(chǔ)科學(xué)研究中，需要聚焦主責(zé)主業(yè)，發(fā)揮各自長(zhǎng)處，形成合力。“這就好比一個(gè)木桶由十塊木板組成，每人手里有一塊木板，建制化基礎(chǔ)科學(xué)研究就是要把大家手里的木板拼到一起。每個(gè)人把自己這一塊木板做得盡可能長(zhǎng)，而且拼成木桶時(shí)木板之間不漏水。”
盧方軍介紹，中國(guó)科學(xué)院將進(jìn)一步促進(jìn)研究人員和設(shè)施運(yùn)行人員的深入合作，聚焦重大問題長(zhǎng)期穩(wěn)定開展聯(lián)合攻關(guān)，打造建制化科研新范式，加快實(shí)現(xiàn)從“在干什么”“能干什么”向“該干什么”的轉(zhuǎn)變。
▲位于廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)的中國(guó)散裂中子源(2022 年 6 月 23 日攝) 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所供圖
