中国之光：严东生团队如何照亮 “上帝粒子” 轨迹？

编者按

2012年7月4日，欧洲核子研究中心（CERN）宣布发现了一种新的粒子，特征与正在寻找的希格斯玻色子即“上帝粒子”相符合。消息传来，94岁的严东生难掩欣喜。因为，正是他带领团队研制的（钨酸铅）PWO闪烁晶体，使探测器捕捉到了“上帝粒子”的踪迹。

严东生，材料科学家，中国科学院院士，中国工程院院士。从20世纪80年代的锗酸铋（BGO）晶体到21世纪的PWO晶体，严东生以跨越三十载的坚守，在国际大科学工程中刻下了中国印记。

国际物理界长期以来面临着一个棘手的难题，那就是对“上帝粒子”的观测，发现其对研究物质为何有质量和宇宙形成，有着至关重要的作用。这一挑战曾困扰科学家们长达40多年，然而，这一任务在一位年届九旬的中国老科学家的努力下得以实现。他成功研制出了全球顶尖的大尺寸PWO晶体材料，其质量和技术水平远超美国、日本和法国等国家。

他就是严东生。

严东生

来源 | 中国科学家博物馆

年过花甲攻克BGO晶体难关

故事要从20世纪80年代讲起。

当时，欧洲核子研究中心计划建造世界上能量最大的正负电子对撞机（LEP）。这一宏大的科学工程吸引了来自十多个国家的五百多位不同领域的科学家。其中，诺贝尔物理学奖获得者丁肇中负责建造LEP中的一个探测器L3，而L3的核心部分——电磁量能器，计划采用新型BGO闪烁晶体建造。

这种BGO晶体不仅尺寸比普通的大，而且数量多（12000根，重约12吨），还要具备高能量分辨率和高探测效率。这一要求在当时是前所未有的挑战，还没有国家能够大批量生产出符合这些标准的BGO晶体。

丁肇中经过多方打听，找到了时任中国科学院副院长兼上海硅酸盐所所长的严东生，询问是否可以完成这个订单。严东生听后，意识到“这是一项为国人争光的工作 ”，于是毫不犹豫地接下了这个艰巨的任务。

严东生（右四）陪同丁肇中（右五）

考察嘉定BGO中试线

来源 | 中国科学家博物馆

此时的严东生年逾花甲。他带领团队经过分析，发现采用当时国际、国内通用的技术方案不可能完成任务，必须独辟蹊径。经过调查研究，他们发明了用改进型多坩埚下降法生长BGO晶体的技术与工艺；建立了多坩埚下降法批量生长晶体的设备；攻克了晶体生长工艺参数优化、原料纯度控制和铂物理方法纯化，以及多种形态铂坩埚制作等关键技术，终于在一年后如期递交了样品。

1983年，经过欧洲核子研究中心评比，无论从质量、尺寸，还是荧光效率、能量分辨率和光衰减上，严东生团队的样品都领先于其他国家。就这样，他们正式拿到了这一国际项目的“订单”。

“订单”要求在1991年前完成所需BGO晶体的研制。因为晶体生长的环境要求极为苛刻，“订单”量又大，可以说，这是一项史无前例的任务。

严东生带领团队再次迎难而上，克服了技术人员青黄不接、扩大试验后工艺技术不稳定、合成原料均匀性差等难题，硬是提前两年完成了全部任务。

这项成就轰动了国际界，得到了世界各地科学家的认可与赞许。丁肇中更是逢人就说：“谁要BGO晶体，就到中国科学院上海硅酸盐研究所去！”

1988年，严东生（左）与丁肇中（中）、

郭景坤对BGO晶体样品做检验

来源 | 中国科学家博物馆

这一成果不仅使中国掌握大尺寸晶体生长技术，更建立了从原料合成到性能测试的完整产业链，为后续PWO晶体研究奠定了基础。

85岁再次“挂帅”，带队攻关PWO

2003年，欧洲核子研究中心再次找到严东生，这一次的任务更加艰巨。为了探寻被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子，中心计划打造大型强子对撞机（LHC），其核心部件需要大量新型PWO闪烁晶体。

相比于BGO晶体，PWO晶体的制备更加困难：它结构更为复杂，生长十分困难且极易开裂；闪烁性能对晶体尺寸、生长工艺的变化极为敏感；并且生长过程中原料组分易挥发等。

面对挑战，85岁的严东生再次“挂帅”。他和团队充分发挥上海硅酸盐所晶体生长技术的优势，采用改进的坩埚下降法制备PWO晶体，率先在国际上提出用阴阳离子掺杂PWO晶体的原创性思路，极大地提高了PWO晶体的光输出等性能；在原料预合成、炉膛设计、温度场控制、生长参数等方面也作出了集成创新，发明了生长大尺寸掺杂PWO晶体的新工艺，实现了大尺寸掺杂PWO晶体生长的规模生产及质量控制。

最终，上海硅酸盐所成为国际上唯一能采用下降法工艺制备大尺寸、高性能掺杂PWO晶体的单位，大批量提供的晶体各项性能指标都达到或超过CMS探测器的要求，特别是光输出更是高出指标要求一倍以上。

2005年初，欧洲核子研究中心正式与上海硅酸盐所签订合同。但当时由于对方不了解晶体生长的具体情况，提出了过高的要求。如果按此执行的话，成品率会大大降低。针对这种不合理的要求，严东生“有理有节”地谈判，他通过充分的论证和合理的解释，最终成功说服对方，使其放弃了原先过高的要求。

合同执行期间，严东生对研发工作亲力亲为，甚至能随口说出晶体的测试数据。2007年，在供货的紧要关头，PWO原料出现了质量不稳定的情况，年事已高的严东生亲自带领人员前往生产现场检查与督促。

正是在严东生的领导和大家的努力下，2008年3月，上海硅酸盐所再次在世界瞩目下成功完成了任务，如期向欧洲核子研究中心交付了5000多根、重约7.6吨的高质量、大尺寸PWO闪烁晶体，这直接让后来对上帝粒子的探测成为现实。

2008年4月，为感谢中国科学家作出的重大贡献，欧洲核子中心向上海硅酸盐所颁发了CMS晶体奖。

从BGO到PWO，严东生以 “科学外交家” 的担当和战略眼光，两次带领中国团队在国际顶尖科研项目中扮演核心角色，不仅推动我国无机闪烁晶体技术跃居世界领先地位，更以实际行动诠释了科学家将个人追求与国家科技发展、人类科学进步紧密结合的精神高度。

审核专家：

中国科学院上海硅酸盐研究所六级职员、团委书记仲鹤

中国科学院上海硅酸盐研究所副研究馆员张爱琼

参考文献：

[1]宏才大略 科学人生[M],上海交通大学出版社,2015.

[2]严东生的晶体情缘[J].新材料产业,2016(11):71-73.

[3]追忆严东生院士 | 90岁还在研制捕捉“上帝粒子”的晶体[J]. 上观新闻,2016.

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