核物理守望者

徐芳芳

何梁何利基金頒獎大會現(xiàn)場

2015年11月4日，2015年度何梁何利基金頒獎大會在京舉行。北京大學(xué)物理學(xué)院葉沿林教授喜獲2015年度“何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎”。從1978年進(jìn)入北京大學(xué)物理系學(xué)習(xí)開始，葉沿林在核物理研究的道路上攀行了30多年。30年中，他經(jīng)歷了“出國潮”“下海潮”以及國家實施“科教興國”戰(zhàn)略后的發(fā)展，很多人來了又去，而他選擇堅守在核物理學(xué)科，特別在“科教興國”戰(zhàn)略實施之后，帶領(lǐng)隊伍一步步走向國際發(fā)展前列，并促進(jìn)了中國核物理科研事業(yè)的成長與發(fā)展。

白手起家挑起國際任務(wù)

1995年，黨中央、國務(wù)院提出“科教興國”戰(zhàn)略，逐步扭轉(zhuǎn)了改革開放以來，科教工作與科教工作者長期不被重視的局面，祖國的科教事業(yè)也迎來了快速發(fā)展。正是從這時開始，我國的核物理事業(yè)有了起色，葉沿林是見證這一過程的人，而他參與的第一個重要任務(wù)就是，帶領(lǐng)北大研究組，成為大型物理實驗裝置“緊湊型繆子螺線管（CMS）”的合作組成員，承擔(dān)國際合作任務(wù)。

上世紀(jì)60年代，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型被提出，在科學(xué)發(fā)展史上具有里程碑的意義。到1983年，在歐洲核子研究中心的超級質(zhì)子同步加速器（SPS）上發(fā)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的W和Z0玻色子，使得電弱統(tǒng)一的規(guī)范場理論得到驗證，大大提升了人們對標(biāo)準(zhǔn)模型的認(rèn)可度。但標(biāo)準(zhǔn)模型中還有個最為核心的問題，就是質(zhì)量的來源問題。滿足規(guī)范對稱性的體系，要求各種基本粒子的質(zhì)量為零。需要通過與一種理論預(yù)言的希格斯（Higgs）場發(fā)生作用，同時對稱性自發(fā)破缺，才能使現(xiàn)實物理世界里各種粒子獲得質(zhì)量。顯然，Higgs機(jī)制在這里具有決定性的作用，而能否在實驗上尋找到Higgs玻色子，也成為標(biāo)準(zhǔn)模型能否成立的關(guān)鍵。

上世紀(jì)90年代中后期，日內(nèi)瓦的歐洲核子中心以發(fā)現(xiàn)Higgs粒子為首要目標(biāo)，開始全力建造大型強(qiáng)子對撞機(jī)，其中一個大型的物理實驗裝置是“緊湊型繆子螺線管”。1996年，北大組得到批準(zhǔn)正式成為CMS合作組成員，并提出承擔(dān)前向阻性版探測器（FW-RPC）的研制、批量制作和安裝測試。RPC用于關(guān)鍵的繆子觸發(fā)，后來在2012年發(fā)現(xiàn)Higgs粒子的主要5種探測路線中，有4種路線依靠繆子和電子的探測。FW-RPC用在小角度，需要承受極高的計數(shù)率并排除大量的本底，大面積探測的時間分辨率也要低于1個納秒。按照CMS季刊1996年1期上“發(fā)言人的信”的表述，繆子探測是CMS的“兩面旗幟”之一，而“FW-RPC的設(shè)計、投資和建設(shè)在CMS一直具有很高的優(yōu)先度”。

以當(dāng)時北大組的基礎(chǔ)和能力，要承擔(dān)FW-RPC的任務(wù)風(fēng)險比較大。CMS方面開始很不放心，多次現(xiàn)場考察。葉沿林回憶：“當(dāng)時想拿下這個任務(wù)，著實費了不少精力。CMS的人來考察，看到我們這里設(shè)備不足，人員不夠，心里難免‘打鼓?！惫?，CMS方面寫信說：“由于要建造的這種探測器可能非常精巧并且所需技術(shù)尚未成熟，北京大學(xué)組承擔(dān)這項任務(wù)不大現(xiàn)實。”

當(dāng)時，葉沿林認(rèn)為，盡管項目組設(shè)備基礎(chǔ)較差，但技術(shù)能力并不弱，在學(xué)校的強(qiáng)有力支持下，他還是帶領(lǐng)研究組積極申請承擔(dān)FW-RPC任務(wù)。隨后，他們參加LHC實驗裝置建設(shè)又得到了國家自然科學(xué)基金委和科技部、中科院的大力支持，最終簽署了投資支持CMS和ATLAS實驗合作的協(xié)議。于是，葉沿林研究組承擔(dān)起我國首次正式投資參加國際高能物理大科學(xué)合作的任務(wù)。

從1999年起承擔(dān)首批重大項目，到2008年初結(jié)題，北大組和中科院高能所研究組一起，歷時8年，出色地完成了任務(wù)，最終的成果也得到了CMS的充分認(rèn)可，北大組完成的FW-RPC在2012年LHC發(fā)現(xiàn)Higgs玻色子的實驗中發(fā)揮了重要作用。在此期間，葉沿林一直擔(dān)任北大項目組的負(fù)責(zé)人，任務(wù)就是要做出CMS的部分FW-RPC（RE1/2和RE1/3）?；貞涍@幾乎算是白手起家奮斗的8年，葉沿林說：“也許這算不上是多大的創(chuàng)造性工作，但能夠拿到這個項目，經(jīng)歷一些我們沒有經(jīng)歷過的攻關(guān)過程，最后拿出在國際最先進(jìn)裝置上發(fā)揮重要作用的成果，這就是一種成長”。

2009年葉沿林及團(tuán)隊在日本RIKEN-RIPS實驗室開展滴線核8He實驗

在“973”課題中蛻變

葉沿林曾說，北大核物理學(xué)科在近十幾年得到了長足的發(fā)展，這源于三輪“973”課題的持續(xù)研究帶來的團(tuán)隊實力提升。自2000年承擔(dān)“973”課題之后，葉沿林負(fù)責(zé)的北大核物理實驗組，便長期堅持衰變延遲粒子發(fā)射和直接核反應(yīng)兩條實驗路線，在國內(nèi)外大裝置上持續(xù)開展有特色的實驗研究。

據(jù)葉沿林介紹，近20多年來，人們進(jìn)入到不穩(wěn)定核的廣闊未知區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了一系列新現(xiàn)象，如暈結(jié)構(gòu)、矮巨共振、新幻數(shù)、殼演化、集團(tuán)和分子結(jié)構(gòu)等。研究這些現(xiàn)象和規(guī)律的學(xué)問，稱為不穩(wěn)定核物理，或放射性核束（RIB）物理。由于涉及一系列基礎(chǔ)性重大科學(xué)問題和潛在的應(yīng)用前景，世界上所有科技大國均部署了新一代RIB大科學(xué)裝置的建設(shè)，投入競爭。核物理基礎(chǔ)研究的大科學(xué)性質(zhì)，決定了高校中的實驗組必須能夠走出去，在世界范圍利用各種大裝置開展適合自己目標(biāo)的研究。

北大課題組用7年時間研制和升級了北大中子球裝置，這是國際上三臺高水平的同類裝置之一，在國內(nèi)開辟了衰變延遲中子發(fā)射的研究方向，并取得了一批有重要國際影響的物理成果，成為我國高校在核物理大科學(xué)裝置上建立實驗終端的典范。近幾年，他們又成功研制了前向多中子關(guān)聯(lián)譜儀和高位置分辨帶電粒子望遠(yuǎn)鏡陣列等，并在蘭州重離子加速器裝置上使用，特別是開展了中子滴線附近輕原子核集團(tuán)結(jié)構(gòu)研究。endprint

如今，葉沿林團(tuán)隊已經(jīng)在進(jìn)行第三個“973”課題的研究，這也是不穩(wěn)定核研究的第三輪“973”研究。經(jīng)過十幾年來的積累和攻關(guān)，我國的不穩(wěn)定核物理研究取得長足進(jìn)步，已經(jīng)進(jìn)入國際上主流競爭的行列，未來幾年面臨難得的發(fā)展機(jī)遇和前景。在沖擊世界前沿的“國家隊”中，葉沿林帶領(lǐng)的北大核物理研究團(tuán)隊無疑是其中的重要一支。

近年來，團(tuán)隊發(fā)展了獨特的零度測量技術(shù)，針對典型的豐中子核12Be開展了系統(tǒng)的測量和研究，同時測定了轉(zhuǎn)動慣量（激發(fā)能—自旋依賴關(guān)系）、集團(tuán)衰變分支寬度、特征躍遷模式三個物理量，尤其是首次在不穩(wěn)定核中測定增強(qiáng)的單極躍遷強(qiáng)度，與GTCM模型的理論計算密切配合，清楚標(biāo)識了非穩(wěn)定核12Be中近閾激發(fā)態(tài)的分子集團(tuán)結(jié)構(gòu)，澄清了十幾年來的爭論，結(jié)果發(fā)表在國際頂級物理期刊上，引起熱烈反響。

難得的是，這是一項完全由國內(nèi)的研究隊伍（北京大學(xué)和中科院近代物理所的核物理實驗組）利用國內(nèi)核物理大科學(xué)裝置（蘭州重離子加速器國家實驗室RIBLL放射性束流線）完成的實驗工作。由于核物理實驗探測設(shè)備幾乎全部依靠自主研發(fā)，這項開拓性的研究工作經(jīng)過了較長時間的積累，目前已經(jīng)形成了扎實的自主研究的基礎(chǔ)，后續(xù)的系列研究工作正在迅速展開。

到國外一流的實驗室開展以中方為主的實驗，是對學(xué)術(shù)研究和設(shè)備研制能力的挑戰(zhàn)。2002年，葉沿林團(tuán)隊在日本理化所提出暈核6He的直接核反應(yīng)實驗。“跟全世界的團(tuán)隊去競爭，一輪一輪地提實驗計劃、答辯，這種經(jīng)歷很難得。”最終，葉沿林團(tuán)隊成功奪標(biāo)，自主實施了這一實驗。這也成為首次由中國課題組在國際一流裝置上提出、經(jīng)過激烈競爭獲得批準(zhǔn)并自主完成的核物理實驗。

盡管奪標(biāo)成功，但實驗難度依舊是擺在團(tuán)隊面前的一道難關(guān)。這些大裝置上提供的束流價值昂貴，時間節(jié)點控制嚴(yán)格，稍有閃失就不可補(bǔ)救，風(fēng)險很大。而當(dāng)?shù)貙嶒炇业暮献骰锇橐话闶且?guī)范地參與，關(guān)鍵問題都得自己現(xiàn)場解決?！爱?dāng)時團(tuán)隊很缺乏經(jīng)驗，實驗中發(fā)生了不少突發(fā)問題，好在束流時間過半后迅速做出了正確判斷，及時改變了靶體周圍布局，才使得實驗基本成功?！比~沿林說。

2009年，葉沿林團(tuán)隊再次到日本理化所提出和自主開展豐中子滴線核8He的敲出反應(yīng)實驗，這時，隊伍的經(jīng)驗和能力都已經(jīng)大大提升，實驗取得圓滿成功，特別是關(guān)于7He共振態(tài)和8He中集團(tuán)結(jié)構(gòu)的實驗結(jié)果在國際上發(fā)表后，引起熱烈反響，提高了團(tuán)隊的國際聲譽(yù)和地位。

經(jīng)過兩次實驗合作，北大組和日本理化所在科研合作、人員交往、人才培養(yǎng)等方面，建立起非常特殊和規(guī)范的關(guān)系，包括北大每年派出研究生在理化所長期學(xué)習(xí)工作，建立了高年級本科生實習(xí)基地Nishina School等。從設(shè)備到技術(shù)再到人才，葉沿林團(tuán)隊在每一步前行中都完成了一次蛻變。

見證核物理學(xué)科崛起

葉沿林是我國恢復(fù)高考后的第一屆大學(xué)生，憑借中學(xué)時對物理的喜愛，他報考了北大物理系，并最終以優(yōu)異成績被這個當(dāng)時我國物理學(xué)科的最高殿堂錄取。本科學(xué)習(xí)結(jié)束后，葉沿林獲得名額極少的公派留學(xué)名額，來到法國格勒洛布爾大學(xué)核科學(xué)所繼續(xù)深造。4年后，他獲得博士學(xué)位，并于1986年至1988年在加拿大TRIUMF國家實驗室開展博士后研究工作。

國外6年，葉沿林在國際頂級國家實驗室得到歷練與積淀，在科研的組織架構(gòu)及國際視野上得到很大提升與豐富。1989年，葉沿林回到培養(yǎng)他的北京大學(xué)技術(shù)物理系就職。在回國一事上，他沒有絲毫猶豫，他說：“當(dāng)初出國就沒打算留在國外，回國是很自然而然的事情，想做事還是要回到祖國?！?/p>

葉沿林回國時正趕上市場經(jīng)濟(jì)的大潮。1993年，葉沿林評教授時，北大正教授的月工資僅有390元。“那時候，年輕的老師走了不少?！痹凇霸煸訌椀牟蝗缳u茶葉蛋”的世風(fēng)下，年輕教師不是出國，就是下海，真正堅守在教學(xué)與科研一線的人寥寥無幾，葉沿林就是其中一個。在極度缺乏人才的那段時間里，葉沿林不得不自己干各種“雜活”，這也讓他迅速成長起來。1996年，41歲的葉沿林被推上了北大技術(shù)物理系主任的位子，而當(dāng)時的主要任務(wù)是“謀生存”，穩(wěn)定教師隊伍。

1995年，黨中央、國務(wù)院提出“科教興國”戰(zhàn)略;1998年，北京大學(xué)百年校慶，確定了建設(shè)世界一流大學(xué)的目標(biāo)，教研工作開始走上有序發(fā)展的上升通道，葉沿林帶領(lǐng)的北大核物理學(xué)科也是在此后得到了長足的發(fā)展?！霸趯W(xué)校的支持下，核物理學(xué)科抓住機(jī)遇，從國外吸引了一批優(yōu)秀學(xué)者加盟或回歸，包括錢思進(jìn)、孟杰、班勇、許甫榮、冒亞軍、郭秋菊等，他們現(xiàn)在都成了學(xué)科或方向的帶頭人?！比~沿林說。

進(jìn)入21世紀(jì)，我國能源需求和發(fā)展的格局發(fā)生了很大變化。由于環(huán)境保護(hù)的要求，具有綠色能源性質(zhì)的核能的重要性引起社會極大的關(guān)注。國家規(guī)劃我國的核能將有一個長期快速的發(fā)展，由此也推動了我國核科學(xué)技術(shù)的全面振興。2005年后，全國出現(xiàn)了辦核學(xué)院的風(fēng)潮。北大決心發(fā)揮自己的優(yōu)勢，在一流大學(xué)的框架下完善學(xué)科，注重提高質(zhì)量和水平。

2007年是北大核學(xué)科發(fā)展的一個重要年份。在核科技行業(yè)一批老先生的呼吁下，2006年科技部在發(fā)布的指南中列入了核物理與核技術(shù)國家重點實驗室的條目。葉沿林在當(dāng)年接任“重離子物理教育部重點實驗室”主任，馬上就面臨競爭國家重點實驗室的難得機(jī)遇。按照國家重點實驗室的要求，北大將原有的核科技隊伍進(jìn)行重組，以“放射性核束物理”“強(qiáng)子物理”“先進(jìn)粒子加速器技術(shù)”“核技術(shù)應(yīng)用”四個方向的構(gòu)架，申報國家重點實驗室。經(jīng)過多輪評審答辯，在三個候選實驗室中勝出。

2007年4月，科技部正式下達(dá)的通知中列入了依托北大的核物理與核技術(shù)國家重點實驗室籌建計劃。隨后科技部組織了建設(shè)計劃評審和現(xiàn)場考察等。經(jīng)過兩年的建設(shè)，2009年實驗室正式通過建設(shè)期驗收，成為正式的國家重點實驗室，葉沿林受聘擔(dān)任第一任實驗室主任。

隨后，北大還建立了“核科學(xué)與技術(shù)研究院”，由葉沿林擔(dān)任常務(wù)副院長。核研院的核心任務(wù)是與中國原子能科學(xué)研究院共同推動提出和建設(shè)大科學(xué)裝置“北京ISOL”，目前已經(jīng)完成初步概念設(shè)計，經(jīng)過了兩次國際顧問委員會評審，在國際上反響熱烈?！霸撗b置將為未來基礎(chǔ)前沿?zé)狳c的豐中子不穩(wěn)定核研究以及涉及國家重大需求的核能系統(tǒng)材料研究提供支撐，預(yù)計在‘十三五期間正式向國家提出建議。”葉沿林說。endprint

“這十幾年來，核物理學(xué)科的進(jìn)步是巨大的?！比~沿林介紹，核物理既是基礎(chǔ)科學(xué)，又是跟能源、國防、醫(yī)療密切相關(guān)的科學(xué)，是介于基礎(chǔ)和實用兩者之間的跨界學(xué)科。在國際合作上，各國既開放交流，又相互提防?！耙郧拔覀冊诩夹g(shù)上有什么困難，國外合作方都很愿意幫助我們?，F(xiàn)在我國的核物理實力得到極大提升，在國際合作上，外方也不再無條件提供幫助，而是要相互幫助，實現(xiàn)平衡。最核心的技術(shù)都需要我們自己來做?！迸c國外合作方的對等關(guān)系，也恰恰驗證了我國核物理科學(xué)的崛起，而葉沿林正是其中一位重要的見證者與參與者。

護(hù)航年輕一代

人才培養(yǎng)是學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)，自從回到北大，葉沿林除了科研以外最重要的工作就是培養(yǎng)后繼人才。對于學(xué)生，他的要求十分嚴(yán)格。研究生入學(xué)第一年除了上課外，還要看大量文獻(xiàn)，同時，葉沿林要求學(xué)生每年都必須給自己寫個規(guī)劃，理清當(dāng)年需要完成的工作，他來做點評。他說：“第一年很重要，要養(yǎng)成好的習(xí)慣，看文獻(xiàn)則能形成視野，這都是我最看重的。”攻讀研究生的第二年、第三年，葉沿林就開始推著學(xué)生獨立自主地做科研了。學(xué)生需要自己提出課題方向，高年級的學(xué)生還要帶低年級的學(xué)生，大家相互學(xué)習(xí)，形成團(tuán)隊，老師從更高的層面和視角指導(dǎo)幫助。

“在這個全球化、信息化的時代，‘終身學(xué)習(xí)已經(jīng)不知不覺成了‘新常態(tài)，人人都是學(xué)生，天天都在學(xué)習(xí)，你們每個人的手上都時刻掌控著知識和信息的寶庫。”在2015年北大物理學(xué)院畢業(yè)典禮上，葉沿林作為教師代表這樣向畢業(yè)的同學(xué)們講到。對于人才的渴望，是葉沿林作為一名教師深入骨髓的基因。在演講中，他向同學(xué)們發(fā)問：“大家學(xué)了幾年物理教科書，上邊有許多讓我們頂禮膜拜的定律、公式、方程、模型、實驗方法等等，是人類智慧的偉大創(chuàng)造，往往以人命名;幾十年后，是不是該有中國人的名字陸續(xù)填充上去呢？”

2015年核物理實驗大組師生合影

葉沿林說，厚實的創(chuàng)新沃土，實實在在需要成千上萬優(yōu)秀的人才去一層又一層地填充。這就如同無論是學(xué)生的培養(yǎng)，還是團(tuán)隊的建設(shè)都需要過程一樣?！耙婚_始我剛帶學(xué)生時，實驗室來了大量新設(shè)備，連我都要從頭學(xué)起，帶著學(xué)生一起做?！比~沿林說，完成實驗室的建設(shè)是一個循環(huán)，高年級帶低年級又是一個循環(huán)，一個實驗室的自循環(huán)一般需要四五年才能完成一輪。

如今，一屆又一屆的學(xué)生入學(xué)、畢業(yè)，人才源源不斷地被培養(yǎng)出來，不斷為學(xué)科領(lǐng)域的研究注入新的血液，這種景象與葉沿林剛剛出任物理系主任時的情景形成了鮮明對比。這讓葉沿林很欣慰，中國的核物理科學(xué)發(fā)展正迎來一個最好的時代，而他愿意為年輕的一代繼續(xù)護(hù)航。endprint