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【新时代 西部情】当初被“忽悠”来读研 如今他让原子核质量中国说了算

发表日期: 2019-06-25来源: 放大 缩小

  “氢、氦、锂、铍、硼,碳、氮、氧、氟、氖……”这是很多人都会背的“元素周期表”。自然界由元素组成,构成元素的基本单位是原子,要认清世界,就必须搞清楚原子的结构。对原子来说,原子核是其最核心的部分,占整个原子质量的99.9%以上,质量是描述原子核最基本的参数之一。因此,原子核的质量测量成为物理学研究中最基础的工作。   
 

  今天,走入我们视野的这位科研工作者,从事的就是这个外行看来“神秘高深”领域的工作——他就是中国科学院近代物理研究所的王猛研究员。 

  “来了才知道,老师真没忽悠咱!” 

  王猛,河南淇县人,中科院近代物理研究所研究员,CSR精细核谱学组副组长,主要从事原子核质量测量和评估工作。

  中科院近代物理研究所坐落于甘肃兰州。与东部大城市相比,兰州在经济社会发展方面落后很多。但是,这里却有中国最顶尖的核科学研究机构之一。上世纪90年代末,20岁出头的王猛就是冲着这里来到了兰州。

  说起来兰州工作,王猛开玩笑地说,“我是被‘忽悠’来的。”1997年,在天津南开大学物理系读大三的王猛,开始面临人生的一个小小选择——到底去哪里读研?

  在他备考迷茫的时候,中科院近代物理研究所的老师到南开招生,鼓励他报考中科院近代物理研究所,并告诉他这里是中国核物理研究的中心之一。这是王猛第一次听说这个地方,在老师的描绘中,懵懵懂懂的王猛仿佛看到了自己大展抱负的光辉未来。从此,他怀揣梦想与兰州这所城市结下不解之缘。

  “来了才知道,老师真没忽悠咱!”回想20多年在兰州的经历,王猛忍不住感叹。

  中科院近代物理研究所创建于1957年,是一个依托重离子加速器大科学装置,从事重离子物理基础和重离子束应用研究、相应发展先进粒子加速器及核技术的基地型研究所。研究所建所60多年,承担建设了国家多项大科学工程及中科院A类战略性先导科技专项,取得了660多项科研成果,是在国际上都有重要影响的重离子科学研究中心。

  在王猛的眼里,这里简直就是“中国核物理研究的圣地”。 

  读研至今,王猛一路硕博、助研、副研、正研,干的顺风顺水。“孤之有近物所,犹鱼之有水也”,王猛感觉自己就像一条鱼终于找到了适合自己生存的那片水域,可以在自己喜爱的科研工作中恣意畅游。

  “我们近代物理所有一个秘密武器——重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)”,谈起中科院近代物理研究所,王猛非常自豪。CSR是我国高科技领域的一项重大成果,是继德国GSI之后的又一个大型国际性重离子冷却储存环装置。借助这个秘密武器,王猛在原子世界里大展拳脚并一步步实现自己的梦想。

  物理学最大挑战之一: 原子核质量测量 

  “在核物理领域,几乎所有研究与应用都与原子核质量密切相关。”谈起自己的工作,王猛滔滔不绝。

  原子核质量是描述原子核最基本的参数。理论预言,自然界束缚的原子核有7000~8000种。经过百余年的发展,人类已发现、合成并鉴别了约3200种原子核,目前有约2500种原子核的质量得到了测量,剩下的5000多种还有待进一步实验测量。搞清楚这些待测量原子核的质量,成了王猛等人的主要工作。

  “自然界的很多未知领域,都可能在这里被发现或被重新定义”,王猛介绍说,“原子核质量的测量,是人类继续认识自然和改造自然的起点”。一方面,高精度的原子核质量数据不断深化着人们对核结构和基本对称性的理解。另一个方面,在核天体物理中,精确的原子核质量是研究星体演化和元素合成过程理论模型的关键输入参数。因此,原子核质量测量结果极大地促进了人类对微观和宏观物质结构的认识。

  然而,原子核的测量并不那么容易,有媒体用“在一架空客A380上去分辨一个U盘的质量”来形容它的精度和难度。

  “这个比喻很形象,原子核质量测量确实很难”。王猛说,“比起我们肉眼看到的物质,原子核实在太小、太轻、太快了。以我们新合成的核钴51为例,2万亿亿个钴51还没一粒小米重,而它的寿命却只有100毫秒。所以,我们必须得找到一个精准的‘秤’,并且在非常短的时间内捕捉到它(原子核)”。

  在物理学界,曾经最灵敏也最常用的“秤”是离子阱。包括美国、德国、芬兰、加拿大等很多国家都用离子阱来测量原子核。然而,离子阱通常只能测量那些比较稳定且寿命较长的原子核,对那些低产额、短寿命的原子核的测量则比较困难。而目前未知质量的原子核主要就是后面这一类,它们位于远离稳定线的放射性核区,包括中重质子滴线区、丰中子核区和超重核区。对这些未知原子核的质量测量,成为物理学近30年来最大的挑战之一。

  然而,王猛等人借助近代物理所的优势条件,找到了中国人破解这一难题的新办法。他们利用兰州重离子冷却储存环CSR,成功制造出了可以测量短寿命原子核质量的“秤”——等时性质量谱仪,其精确度可以达到10-7。等时性谱仪的原理是测量离子在储存环中的循环周期,从中提取其质量。离子的速度有分散,但在储存环中运动的离子,磁钢度较大的总是在较长的轨道上运行,而磁钢度较小的运行轨道较短,通过环的特殊设置,对目标离子可以使轨道长度的差异正好抵消速度上的差异,从而使其循环周期不依赖于速度大小。这样,借助储存环的等时性工作机制,就可以精确测量核质量。

  借助这个精准的测量工具,王猛和他的团队测量了16个原子核的质量,提高了20多个原子核的质量精度。2011年,Nature Physics杂志还曾在“News & Views”栏目专门发表述评,对近代物理所在HIRFL-CSR上开展的原子核质量测量成果给予了高度评价。

  原子核质量中国说了算 

  相较于原子核的质量测量,质量评估则是一件更为基础的工作。“国际上从事原子核质量测量的机构有很多,大家有各自不同的测量手段,得出的结果可能也会不一样,这就需要评估各种测量数据的结果”,王猛介绍说。

  2008年11月17日,对王猛来说是个难以忘怀的日子。近代物理所所长肖国青研究员和法国原子质量评估与原子质量数据中心主任Georges Audi教授签订合作备忘录,标志着国际原子核质量评估工作的重心从法国转移到了中国。

  达成这项重要决议的“牵线人”,正是王猛。

  更早之前,在南京召开的一个小型国际研讨会上,王猛遇到Audi教授。作为法国国家科学研究院(CNRS)核谱质谱研究中心(CSNSM)的主任研究员,以及国际原子质量数据中心(AMDC)的主任,Audi教授长期从事原子质量评估工作(AME)。当时的他,正在世界各地寻找原子质量中心的托管单位。

  在这个研讨会上,王猛用英文报告了中科院近代物理所在原子质量测量方面的工作成果。Audi教授非常关注王猛的报告,尤其是近代物理所已经开展的储存环和彭宁离子阱质量测量等方面的研究工作,认为这里非常适合原子质量评估。就这样,双方几乎“一拍即合”,完成了国际原子质量评估的“华丽转身”。

  从此,王猛和他的团队新增了一项工作——原子质量评估。

  一时间,“国际原子质量评估中心移交中国”“原子核质量中国说了算”等话题见诸各大媒体——王猛团队的这项工作成了社会各界关注的焦点。

  王猛并不在乎媒体的报道和热议,在他眼里,原子核的质量评估是一项非常严谨的工作。“质量评估是一项很基础的工作,相当于编制‘字典’一类的工具书。我们的任务就是对各种测量数据进行评估,并把可靠数据汇总起来,为后续研究提供便利。”在王猛眼里,这项看似基础性的工作却有着“世界级”的学术价值,“从学术积累的角度上,说它功在当代利在千秋也不过分,因为后人在研究这些原子核的时候,必须参考这些前人已有的研究数据”。

  2017年,历时近8年之久,由王猛牵头的《原子质量评估2016》在《Chinese Physics C》上正式出版,这份报告共收录实验数据13035条,从中挑选出可靠且精度较高的实验数据5675条作为有效的输入数据。经过评估,推荐了基态原子质量3435个,包括2497个原子核的实验数据和938个外推质量。

  这是中国人在国际原子质量评估工作中提交的第一份重量级答卷。

  面对这份厚重的答卷,王猛却很淡然。他说,“报告最直接的效应是提升了《Chinese Physics C》这份中国期刊的国际影响力,出版至今被各类引用400多次。由于原子核质量在原子核结构、核天体物理及核能开发等领域的广泛应用,AME已经成为核物理界引用频率最高的科学文献。

  采访手记: 踏实做好基础研究 

  采访王猛是一件非常“艰难”的任务。与王猛的谈话,充斥着原子核、离子阱、储存环、质谱仪、皮秒、钴51、As-65等等陌生的物理名词。整个采访,更像是王猛老师为我们专门开设的一堂生动的核物理科普知识讲座。然而,在采访中,我们与王猛的几段简短问答却给人留下深刻的印象——

  “原子核研究有没有核辐射危险?”

  “(微笑着说)我们天天与核打交道,你看我们像是有问题的样子吗?我们平常在办公室做研究,和大家没什么分别。在加速器上准备实验的时候,接受到的也都是非常弱的辐射,和你们平时体检拍X光片一样,对人体没有什么伤害。而且,我们制定了非常专业和严格的工作管理流程,只要按照流程走就不会有危险。我们给每人配备了剂量笔,用于测量人体辐射计量,测出的数值都很弱,非常安全,你们也可以放心参观。”

  “你们做的工作有什么实际用处?”

  “(平和地说)我们做的是核物理领域最基础的工作,它和我们日常能接触到的东西看似没有什么直接联系,往往很多年以后才能看到实际的用处。基础研究是创新之源,要看它的长远价值。

  “原子核质量测量最重要的地方是什么?”

  “(快速地说)当然是追求精准了!你得想办法找到它,并能在超短时间内捕捉到它,同时精准地测出它们的质量,搞清它们的结构,最后还得接受国际同行的质疑和检验。所以‘准确’是最重要的。”

  “原子核研究者需要怎样的个人素养?”

  “(严肃地说)我觉得首先是心里不要太浮躁,要沉下心来,真正踏实做一些研究。现在国家给我们提供的科研条件这么好,应该在年轻的时候就踏踏实实地做一点事情。”

  ……

  朴素、平和,是王猛给我们的外在感觉;求准、求实,是王猛传递给我们的深层“人设”。采访中,王猛经常挂在嘴边的一句话是——“做基础研究必须实事求是,追求极致,因为它很重要,不能出一点错。” 

  2018年底,英国物理学会(Institute Of Physics,IOP)颁布“2018英国物理学会高被引中国作者奖”,王猛老师成功入选。该奖对2015-2017年在IOP期刊发表的所有论文进行评选,对被引次数在所属领域排名为前百分之一的论文通讯作者进行表彰,来自物理、材料、生命科学、环境科学、应用数学、天文学和天体物理学等领域的151位作者获奖。

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