【摘要】《2016科学发展报告》是该系列报告的第十九部，主要包括科学展望、科学前沿、2015年中国科研代表性成果、科技领域发展观察、中国科学发展概况和中国科学发展建议等六大部分。受篇幅所限，报告所呈现的内容不一定能体现科学发展的全貌，重点是从当年受关注度最高的科学前沿领域和中外科学家所取得的重大成果中，择要进行介绍与评述。

2015年，各国围绕新物理、新材料、新能源和生命科学的重大科技基础设施建设的升级稳步推进，探测和研究能力不断提升，并获得了大量突破性进展。

『  一、重要研究进展  』

1． 基础设施的探测和研究能力不断强化

2015年1月，江门中微子实验启动建设，其中微子探测器将是世界上能量精度最高、规模最大的液体闪烁体探测器。该实验室计划2020年投入运行并开始数据采集。2月，美国国家同步辐射光源（NSLS-Ⅱ）经过10年的设计建设后正式投入运行，其X射线的亮度比NSLS的高10000倍，它将帮助研究人员解决材料、能源、环境和医药等领域的大量科学问题。6月，大型强子对撞机（LHC）经过两年多的升级测试正式恢复运行，以前所未有的能量强度（13太电子伏）为LHC上的所有实验提供碰撞，它将在未来的3年内不间断运行，帮助科学家发现如暗物质、反物质等一些新物理现象的证据。8月，全世界首个第四代同步加速器——瑞典四代光源MAXⅣ的首个电子束开始运行，这将有助于材料学家更加清晰地研究电池内部的化学反应，或帮助结构生物学家观察更小的蛋白质晶体的结构。

经过4年的设计研究，高亮度强子对撞机（HL-LHC）计划进入实施阶段。10月，科研人员开始为不同的加速器部件研发工业原型，此升级计划于2025年完成。11月，费米加速器中心将实施其质子加速器的二期升级。当加速器完成升级目标，它将为长基线中微子设施提供世界上最强的中微子束。11月，全球最敏感的暗物质探测器（XENON1T）在意大利格兰萨索的地下实验室开始运行，并计划于2016年3月底开始收集数据。

2． 基于研究设施的成像技术不断得到提升

2015年8月，美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）运用超快电子衍射（UED）技术设计完成了世界上最快的“电子摄像机”，它可以以十万亿分之一秒的快门速度记录电子和原子核的运动信息，有助于在材料科学、化学和生物学等方面进行开创性研究。10月，瑞士保罗谢尔研究所的科研人员成功地使用商业化成像技术（CCD传感器）捕捉到太赫兹光的影像，这一技术不仅降低了成本，还能将成像的分辨率提高25倍，此技术将被应用到2016年即将运行的SwissFEL的实验装置上。

3． 小型化科学装置获重大进展

加速器小型化是加速器应用技术发展的重要趋势。随着能量的不断提高，加速器的大小正接近其极限，紧凑型科学装置的研发成为其技术研发焦点，并在2015年取得了多项进展。5月，SLAC研制完成了一个商业化的X 射线源紧凑型光源（CLS），利用它可以使CT扫描到更多细节信息，这项新技术将很快应用于临床研究，帮助研究人员更好地理解癌症和其他疾病。7月，清华大学的鲍捷和麻省理工学院的芒格巴旺迪成功研制出首个量子点光谱仪。这种光谱仪可以进行商业化生产，造价低，易于使用，体积如手机摄像头般大小，其未来将在空间任务的科学数据收集到家用电器中集成的传感器方面具有广泛的应用。

9月，欧洲核子研究中心（CERN）利用等离子体中产生的电荷波为粒子加速，设计并建成了小型的等离子体尾场加速器，首次在LHC上进行了测试。10月，美国、德国和加拿大的科学家们利用太赫兹辐射技术设计并建成了一个微型的加速器原型，仅有1.5厘米长、1毫米厚，它有可能产生高强度的X射线自由电子激光。研究人员计划在此工作的基础上研发一个基于太赫兹技术的自由电子激光，将推动太赫兹加速器在材料科学、医学和粒子物理学等领域的实际应用中的发展。11月，戈登和贝蒂·摩尔基金会向斯坦福大学、德国电子同步加速器研究所（DESY）和汉堡大学提供1350万美元（约1260万欧元）的基金支持，用于设计被称为芯片加速器（accelerate-on-a-chip）的创新粒子加速器，并制作一个全功能、可扩展的工作原型。　

4． 基于重大研究基础设施的学科研究多点开花

（1）支持新物理现象的探索。2015年7月，CERN 通过大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）观测到了由五夸克粒子组成的重子态，首次确认了五夸克态的存在，证实了半个多世纪前的预测。这一发现也意味着科学家找到了物质的新形式。9月，通过对LHC数据的分析发现，B介子衰变为τ子的速度要远超过衰变为μ子的速度。2012年SLAC的“Babar”实验和KEK 的“Belle”实验在5月也都观测到了类似的异常现象，但这一结果并不符合标准模型的预测。10月，MicroBooNE探测器探测到首个中微子，这一结果标志着高能基本粒子详细研究的开始。12月，CERN 的CMS和ATLAS实验均发现了一对超高能光子，其共带有高达750吉电子伏的能量。这一结果还将进行进一步的验证。这个神秘新粒子如果真的存在，它将推翻统治粒子物理学几十年的“标准模型”，引发新世纪的物理学革命。

（2）推动生命科学及新药物的发展。2015年1月，哥伦比亚大学、纽约结构生物学中心（NYSBC）和布鲁克海文国家实验室（BNL）的科学家，利用美国国家同步辐射光源（NSLS）的高强度X射线，通过对比观察TSPO 单独的及与类似安定化合物结合后的高分辨率原子图像，破译了被称为TSPO的次级蛋白结构，对这种次级相互作用的理解也将为安定副作用的研究和有效新药物的开发提供线索。5月，阿贡国家实验室（ANL）的研究人员利用先进光子源（APS）第一次观察并量化了活甲虫喷雾的内部反应机理，也将为爆炸缓解和推进技术提供新的设计原理。7 月，SLAC和DESY的研究人员利用LCLS发现了原子级细胞信号中枢“关闭”开关的运行机制，以前所未有的深度揭示了生物细胞的调节机理，也为更精确靶向药物的研发铺平了道路。11月，意大利研究人员利用X射线研究发现石棉和灰尘可以改变肺里的铁平衡，这不仅是石棉涂层中蛋白质成分发生构象变化的第一个有力证据，也将有助于揭示人类暴露于石棉环境和长期遭受肺损伤之间的关系。

（3）助力新材料的研发。BNL的科学家利用NSLS-Ⅱ研究了联硒化钌（Ruthenium Diselenide）化合物的晶体结构，使得开发具有热电性能的新材料成为可能。他们还利用共振非弹性X 射线散射（RIXS）技术对YｂIｎCｕ4材料进行了研究，发现了一种能引发能量转移的电子能谱间隙，不仅为解释这种奇特磁性材料的罕见属性取得了实验性突破进展，也打开了利用物理学控制复杂磁性材料的大门。英国科学家利用欧洲同步辐射装置（ESRF）发现了固载型氢转移催化剂失活是其与醇盐铱催化剂氯配体发生缓慢交换所引发的，进而导致了催化剂反应过程中的氯含量损耗和钾含量累积，从而提出了一种研究复杂固载型催化剂的新方法，这种革新研究方法将成为识别催化剂失活途径的重要方式。

（4）支持新能源的发展。BNL的科学家利用X射线技术首次揭示了催化反应进程中的原子结构变化图，这种原位技术将可能应用于催化剂、电池、燃料电池和其他主要能源技术的相关研究。英国科学家利用X 射线束进行流化催化裂化（FCC）颗粒研究时发现，局部的金属污染能影响微粒特性并引起催化剂老化，从而确定在原油提炼成汽油的过程中催化剂颗粒老化过程的关键机理，有助于提高汽油的实际生产效率。2015年9月，荷兰科学家利用ESRF揭示了LiFePO4作为锂离子电池电极材料在充放电过程中的相变机理，为锂离子电池电极的工作及改进提供了新见解。

『  二、重要战略计划与举措  』

1． 各国积极部署重大科技基础设施的建设计划

2015年1月，印度政府批准印度中微子天文台（INO）的建设，投资金额为150亿卢比（约2.36亿美元）。INO项目旨在建设一个研究中微子的世界级地下实验室，确定中微子的质量和混合参数，并结合世界上其他的加速器实验，解决宇宙的物质-反物质非对称问题。3月，我国高能环形正负电子对撞机（CEPC）初步概念设计报告国际评审会在中国科学院高能物理研究所举行。8月，我国科学家提出将在中国本土建“高能环形正负电子对撞机”和“电子—离子对撞机（EIC）”两大超级对撞机的战略建议。

8月，第34届国际宇宙射线大会在荷兰召开，中法等国的与会科学家共同提出了继“冰立方”之后的下一代中微子天文台———巨型中微子探测射电阵列（GRAND）的建设计划，它将用来观测来自深空的高能中微子。10月，美国核科学顾问委员会（NSAC）通过并发布了《2015核科学长期规划》，建议完成美国稀有同位素束流设施（FRIB）的建设之后，美国着手建设一个高能量、高亮度的电子离子对撞机（EIC），仍将连续电子束加速器装置（CEBAF）、FRIB 和相对论重离子对撞机（RHIC）的建设升级作为重点。12月，国家发展和改革委员会（后简称国家发改委）批准立项多个在《国家重大科技基础设施建设中长期规划》（2012—2030）中优先安排的重大科技基础设施，包括“加速器驱动嬗变研究装置（CIADS）”“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”“强流重离子加速器装置（HAIF）”“高能同步辐射光源验证装置”等，这些基础设施建成后将为我国科学家提供先进的研究设施和平台。

2． 各国围绕研究基础设施进行研究部署

2015年6月，德国亥姆霍兹协会理事会决定为欧洲X 射线自由电子激光（X-FEL）提供3000万欧元的项目资助，大部分资金将用于资助极端领域亥姆霍兹光束线（HIBEF）的研究，尤其是高能密度科学（HED）设备基本部件的研发，其他资金将用于资助串行飞秒晶体学（SFX）用户协会和共振非弹性散射实验ｈ-RIXS测量站。9月，美国布鲁克海文国家实验室公布了NSLS-Ⅱ的战略计划草案，将复杂结构下的动态突发行为、材料的发现和合成、催化和能源系统、环境和气候科学、生命的结构和功能设定为NSLS-Ⅱ的优先科学领域。

美国的《2015核科学长期规划》中，将基础对称性和中微子研究作为优先发展方向，以期打开通向跨越标准模型的物理学大门，并建议开发和部署以美国为主的吨级无中微子双β衰变实验，从而可以直接验证中微子是否为其自身的反粒子，这对理解物质-反物质对称性有重要意义。英国将在未来四年投入7200万英镑支持粒子物理前沿研究，包括资助英国科学家参与粒子物理实验，理解暗物质、暗能量、粒子质量的来源、原子力的性质等基础物理问题，以及粒子物理的理论研究等。

3． 国际合作是重大研究基础设施建设和研究的主基调

2015年8月，SLAC将其独有的XL4速调管射频放大器运往韩国浦项加速器实验室（PAL），并将与之合作改良加速器构造，进一步优化浦项的X 射线激光器发射的电子束。10月，欧盟的国际合作项目CREMLIN在莫斯科启动，其目的是加强欧盟和俄罗斯在研究基础设施方面的合作，更加有效地使用重大研究基础设施，项目参与方包括欧盟的13个机构和俄罗斯的6个机构。

12月，美国和欧洲在粒子物理研究方面的合作进入了一个新的深化阶段，美国首次签署正式协议参与到CERN 的LHC项目中，继续从事美国开创性的中微子研究，而欧盟的中微子研究也可以利用美国的实验设施和平台。CERN 分别与黎巴嫩国家科学研究委员会和巴勒斯坦签署了科学研究的国际合作协议，首次将其科研合作活动扩展到中东地区。在此协议下，黎巴嫩将参加到LHC的重离子项目和紧凑μ子探测器（CMS）的软件升级中；巴勒斯坦之前和CERN 的合作受到诸多限制，新协议允许巴勒斯坦参加到超导环场探测器（ATLAS）的国际合作项目中。中俄超导质子联合研究中心在合肥落户，中国科学院等离子体物理研究所与俄罗斯联合核子所签署科技合作协议，共同研制中俄首台超导回旋质子治疗装置。英国ISIS散裂中子源的研究人员向世界上最大的散裂中子源（ESS）项目交付了首批两个关键仪器设备中子小角散射仪（LoKI）和水平中子反射谱仪（FREIA），这两个设备将为ESS提供独特的研究能力，也印证了英国ISIS散裂中子源的研究人员在ESS建设过程中发挥的重要作用。

4． 各国更加重视加强与工业界的交流和合作

各国都越来越重视重大研究基础设施的工业应用和社会经济影响。NSLS-Ⅱ在其战略计划草案中提出与工业企业合作的战略方向、制定了更加灵活的企业用户的使用方式、加强了对企业用户的支持力度以及和强化了与企业的沟通。为方便与工业界的交流，CERN 专门建立了新的网站，鼓励CERN 的研究人员和企业交流分享他们的技术、想法和专业知识，希望通过新媒体的方式使CERN 的技术尽可能地商业化，以惠及企业、经济和社会。

『  三、启示与建议  』

1． 围绕研究基础设施加强应用研究学科的布局

重大研究基础设施在提供基础物理本身探索平台的同时，借助其强大的探测和成像能力也推动了其他学科研究的重要进展。各国基于研究基础设施在新材料、新能源、生命科学、新药物等方面取得了大量突破性的进展，而我国还没有将现有研究基础设施的应用潜力发挥得很充分，应当进一步完善基于研究基础设施的应用研究的布局，并给予一定的支持。

2． 加强对紧凑型研究基础设施研发的关注和支持

研究设施小型化是重大研究基础设施研究和技术发展的重要趋势，在提高其能量的同时，基于研究基础设施科技成果的推广应用和商业化也依赖于其小型化。欧美国家已经做了相应的部署并取得了重要的研究进展，获得了紧凑型加速器的实验装置和原型系统。我国也应进一步加强对加速器技术的应用和商业化的支持力度。

3． 根据最新的研究发现对基础设施建设进行超前部署

CERN 发现了一对带有高达750吉电子伏能量的超高能光子。目前最新的设施无法对其进行研究，而正在筹划建设的ILC和CEPC也仅适合对Higgs粒子（125吉电子伏）的研究，在设计现阶段的重大研究基础设施的过程中，应适当考虑研究可能出现的高能粒子的新一代研究基础设施。

4． 积极参与国际合作，加强与企业界的合作

依托重大研究基础设施解决物理学和宇宙学的基本问题，需要国际科学界的共同努力，美国和欧盟在粒子物理研究方面的合作进一步深化，俄罗斯和欧盟在研究基础设施的使用方面加强了合作。此外，美国和欧洲都采取措施加强了研究基础设施与企业界的合作，推动知识和技术的转移转化，促进其商业化，这些举措将对我国基础设施建设、研究和应用具有借鉴意义。

致谢：中国科学院金铎研究员审阅了全文并提出了宝贵的修改意见，在此表示感谢！

本文由刘四旦摘编自中国科学院编《2016科学发展报告》（中国科学院年度报告系列，北京：科学出版社，2016.08）一书“第四章 科技领域发展观察”部分。