世界著名的物理實驗室（六）

徐漢屏

萊頓低溫實驗室

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

萊頓低溫實驗室的創(chuàng)始人是低溫物理學家昂尼斯.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物理學教授和物理實驗室負責人.當時物理學正處在一個轉(zhuǎn)變的時代，人們越來越重視物理實驗.昂尼斯在擔任萊頓大學物理實驗室負責人后，就決定把研究低溫物理作為主攻方向.

要進行低溫方面的實驗，首先就要獲得低溫.低溫要靠液化氣體獲得，當時只有氫和氦還未被液化.英國物理學家杜瓦從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)導的實驗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，為液化氦打下了堅實的基礎(chǔ).又經(jīng)過兩年奮斗，實驗室終于在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重要研究課題.當時對金屬的電阻在絕對零度附近如何變化，有不同的說法.有人認為純金屬的電阻應(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，即隨著溫度的降低，金屬的電阻在達到一個極小值后，會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)，因而具備了從實驗上研究這一問題的條件.1911年2月，他測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)，而不是達到一個極小值后再增大.因此他改變了原來的看法，而認為純鉑的電阻應(yīng)在液氦溫度下消失.

為了檢驗自己的看法，昂尼斯選擇了汞作為實驗對象，因為汞比其他金屬容易提純.實驗結(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)三篇論文中詳細地敘述了他的實驗結(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電性，不純的汞也具有超導電性.

由于昂尼斯對萊頓低溫實驗室的出色領(lǐng)導和管理，該實驗室在低溫領(lǐng)域獨占鰲頭，逐漸在國際上贏得了日益重大的聲譽.特別是它以大規(guī)模工業(yè)技術(shù)發(fā)展實驗室，開創(chuàng)了大科學的新紀元.有許多國外學家曾來到萊頓大學，在這個實驗室短期或較長期地工作.他們之中不僅有昂尼斯的合作者，還有其他來白世界各地的學者和技師，到萊頓研究或?qū)W習的主要課題是低溫學.萊頓低溫實驗室創(chuàng)造了只比絕對零度高千分之一度的低溫，被稱為“世界上最冷的地方”.實驗室成了20世紀初全世界低溫研究的中心，并一直在低溫和超導領(lǐng)域居領(lǐng)先地位.

昂納斯為萊頓大學建立了世界上第一座低溫實驗室，因制成液氦和發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象于1913年獲諾貝爾物理學獎.1926年2月21日，昂納斯逝于荷蘭的萊頓.“從實驗中獲得知識”，這是昂納斯生前的名言，今天它仍然高懸在實驗室的大門上.

莫達訥地下實驗室

莫達訥地下實驗室（簡稱LSM）位于法國東部羅納一阿爾卑斯大區(qū)薩瓦省的邊境小鎮(zhèn)莫達訥，深藏于阿爾卑斯山脈弗雷瑞斯山峰下1.7 km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，離人口處約6.5 km.莫達訥地下實驗室面積400 m²，空間容積約3500 m³.由于所處地下1.7 km的特殊地理位置，莫達訥地下實驗室有效地屏蔽了時刻照射人類的宇宙射線.同時，實驗室所有建造探測器的材料都經(jīng)過嚴格篩選、精確測試，為最低放射性水平，以避免探測器受到天然放射性元素的潛在干擾，極大地提高了探測器的靈敏度和純度.

該實驗室創(chuàng)建于20世紀80年代初，是法國國家核物理和粒子物理研究所與宇宙學研究所的一個聯(lián)合實驗室，二者又分別隸屬于法國國家科學研究中心和法國原子能署.

1982年，莫達訥地下實驗室正式開放.實驗室最初用于屏蔽大氣中的宇宙射線，探測質(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，該實驗室的研究擴展至暗物質(zhì)、中微子、雙β衰變和超重化學元素，涉及核物理、粒子物理、宇宙學、地球科學、光譜學、微電子學等諸多學科領(lǐng)域，主要開展了以下四大實驗：

其一、EDELWEISS實驗——探測WIMPs粒子，尋找暗物質(zhì).莫達訥地下實驗室從20世紀90年代開始研發(fā)第一代超低溫鍺探測器Edelweissl.它能夠分辨WIMPs粒子弱相互作用的信號和天然放射性核素產(chǎn)生的干擾信號.自2006年以來，實驗室的科研人員與德國、俄羅斯和英國的科學家們合作，共同開發(fā)了高靈敏度高純鍺的新一代探測器Edelweissll.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探測器的干擾.2007年又研發(fā)了新型鍺探測器，使探測WIMPs粒子的能力大大提高，同時也使法國躋身暗物質(zhì)直接探測的領(lǐng)先行列.實驗室還研發(fā)了鈮硅鍺探測器（GeNbSi），功能與ID鍺探測器相同，還有球形熱電離鍺探測器、中子探測器等.

其二、NEMO實驗——中微子和雙β衰變研究.探測中微子的一個必要條件是宇宙線屏蔽.如果在地面站進行中微子實驗，探測到的宇宙線將比中微子多200萬倍，信號將完全淹沒于本底輻射.因此地下實驗室是最理想的場所.莫達訥地下實驗室致力于尋找無中微子釋放的雙β衰變這一新的放射形式.雙β衰變實驗是學術(shù)界公認的探索中微子質(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)，進而了解人類如何由碳、水分子和基于原子的化學反應(yīng)組成，了解生命的起源、宇宙的組成和演變.這一實驗開始兩年后已終止運行，后續(xù)SuperNEMO實驗正處于研發(fā)階段.

其三、TGV實驗——雙β衰變研究.該實驗采用垂直鍺望遠鏡TGV，由莫達訥地下實驗室與俄羅斯杜布納聯(lián)合原子核研究所共同開展，利用32臺直徑60 mm的平面鍺探測器進行雙β衰變研究.

其四、SHIN實驗——尋找自然界中的超重元素.科學家們猜測：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.該實驗試圖追蹤這些長生命周期的元素（擁有108或114個質(zhì)子）及其自發(fā)裂變后的放射性衰變產(chǎn)物.

莫達訥地下實驗室發(fā)展和完善了用于超低放射性水平樣本測量的探測器和平臺，它擁有世界領(lǐng)先的14臺尖端的γ能譜超低本底鍺探測器，在環(huán)境監(jiān)測、超純材料遴選、海洋放射性普查、地質(zhì)學和年代的準確鑒定，半導體存儲器靜態(tài)測試，甚至包括對波爾多葡萄酒酒齡的鑒定方面進行了獨特的應(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，是一個旨在探索“宇宙開始時最基本的東西是什么”等問題的純科學的物理研究機構(gòu).它的主要功能，是為高能物理學研究的需要，提供粒子加速器和其他基礎(chǔ)設(shè)施，以進行許多國際合作的實驗.同時也設(shè)立了資料處理能力很強的大型電腦中心，協(xié)助實驗數(shù)據(jù)的分析，供其他地方的研究員使用，形成了一個龐大的網(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下，由歐洲11個國家從1951年開始籌劃創(chuàng)立的，現(xiàn)已有26個成員方.經(jīng)費由各成員方分攤，所長由理事會任命，任期5年.下設(shè)管理委員會、研究委員會和實驗委員會，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位科學家和工程師在此進行實驗，他們來自包括中國在內(nèi)的80多個國家，代表著500余所大學機構(gòu).這些人員大約占了全世界粒子物理學研究人員的一半.

這個研究中心建有兩個國際研究所，供世界著名的科學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×lO⁸ eV的同步回旋加速器，2.8×10 ¹⁰ eV的質(zhì)子同步加速器等.第二研究所在第一研究所旁邊，它裝有一臺周長約7 km的新質(zhì)子同步加速器.

歐洲核子研究中心同時也是萬維網(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和研究所工作物理學家們之間的信息共享而開發(fā)出來的，而現(xiàn)在它的學術(shù)和商業(yè)的用戶已達千百萬.日前，歐洲核子研究組織成立了網(wǎng)格計算的發(fā)展中心，主持歐洲科學網(wǎng)格計劃（EGEE）、大型強子對撞器網(wǎng)格計算計劃和CERN網(wǎng)際網(wǎng)路交換點（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、交叉儲存環(huán)（1SR）、超質(zhì)子同步加速器（SPS）、大型正負電子對撞機（LEP）、大型強子對撞器（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行的實驗，在粒子物理學中取得了重要成就，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，大型強子對撞機（LHC）的緊湊渺子線圈（CMS）探測到質(zhì)量為125.3+0.6 GeV的新玻色子，超環(huán)面儀器（ATLAS）測量到質(zhì)量為126.5 GeV的新玻色子，探測到的新粒子是希格斯玻色子.

該研究中心的意大利科學家魯比亞因證實傳遞弱相互作用的中間矢量玻色子W^土和Z⁰的存在，荷蘭科學家范德米爾因發(fā)明粒子束的隨機冷卻法，使質(zhì)子一反質(zhì)子束對撞產(chǎn)生W^土和Z⁰粒子的實驗成為可能，共同獲得1984年的諾貝爾物理學獎.