“大科学装置前沿研究”重点专项2016年度项目申报指南

—1—附件3“大科学装置前沿研究”重点专项2016年度项目申报指南大科学装置为探索未知世界、发现自然规律、实现技术变革提供极限研究手段，是科学突破的重要保障。为充分发挥我国大科学装置的优势、促进重大成果产出，科技部会同教育部、中国科学院等部门组织专家编制了大科学装置前沿研究重点专项实施方案。大科学装置前沿研究重点专项主要支持基于我国在物质结构研究领域具有国际竞争力的两类大科学装置的前沿研究，一是粒子物理、核物理、聚变物理和天文学等领域的专用大科学装置，支持开展探索物质世界的结构及其相互作用规律等的重大前沿研究；二是为多学科交叉前沿的物质结构研究提供先进研究手段的平台型装置，如先进光源、先进中子源、强磁场装置、强激光装置、大型风洞等，支持先进实验技术和实验方法的研究和实现，提升其对相关领域前沿研究的支撑能力。专项实施方案部署14个方面的研究任务：1.强相互作用性质研究及奇异粒子的寻找；2.Higgs粒子的特性研究和超出标准模型新物理寻找；3.中微子属性和宇宙线本质的研究；4.暗物质—2—直接探测；5.新一代粒子加速器和探测器关键技术和方法的预先研究；6.原子核结构和性质以及高电荷态离子非平衡动力学研究；7.受控磁约束核聚变稳态燃烧；8.星系组分、结构和物质循环的光学—红外观测研究；9.脉冲星、中性氢和恒星形成研究；10.复杂体系的多自由度及多尺度综合研究；11.高温高压高密度极端物理研究；12.复杂湍流机理研究；13.多学科应用平台型装置上先进实验技术和实验方法研究；14.下一代先进光源核心关键技术预研究。根据专项实施方案和“十二五”期间有关部署，2016年优先支持20个研究方向。申报单位针对重要支持方向，面向解决重大科学问题和突破关键技术进行一体化设计，组织申报项目。鼓励依托国家重点实验室等重要科研基地组织项目。项目执行期一般为5年。为保证研究队伍有效合作、提高效率，建议项目下设课题数不超过4个，每个项目所含单位数不超过6个。本专项不设青年科学家项目。1.Higgs粒子的特性研究和超出标准模型新物理寻找1.1LHC实验探测器升级研究内容：参加LHC的CMS、Atlas和ALICE等实验的探测器升级改造。考核指标：完成按照国际合作组的合作协议承担的缪子探测器、径迹探测器、量能器等的设计、预研和建造任务。—3—2.中微子属性和宇宙线本质的研究2.1空间间接探测暗物质粒子研究内容：空间间接探测暗物质粒子实验（DAMPE）的关键科学和技术问题。考核指标：建立针对暗物质粒子探测关键技术和方法；获得宇宙高能电子GeV至10TeV高分辨能谱和空间分布；获得宇宙弥漫伽玛射线GeV至TeV高分辨能谱和空间分布；获得0.1—100TeV的核素宇宙射线能谱。3.暗物质直接探测3.1利用氙和氩探测器在高质量区直接探测暗物质研究内容：依托锦屏地下实验室和PandaX—500公斤级液氙探测器，优化探测器性能，提升探测器灵敏度，在高质量区（约100GeV）进行暗物质直接探测，同时开展136Xe无中微子双贝塔衰变的实验研究。研究液氩探测器的关键技术。考核指标：氙探测器在高质量区（100GeV左右）暗物质探测灵敏度达到10—46cm2量级的国际前沿水平；掌握探测136Xe无中微子双贝塔衰变的关键技术。掌握液氩探测器关键技术。4.新一代粒子加速器和探测器关键技术和方法的预先研究4.1高能环形正负电子对撞机预先研究研究内容：正负电子对撞机加速器设计研究和高能量分辨探测技术研究。—4—考核指标：1）完成质心系能量为240GeV左右高亮度正负电子对撞机相关探测器概念设计；确定并细化物理目标，通过模拟手段验证实验中物理观测量的精确度。2）高分辨探测技术：粒子径迹探测器内层硅探测器原型芯片的可能技术选项，要求位置分辨达到15μm；外层时间投影室原型位置分辨优于100um；得到颗粒度达5×5mm2成像型电磁量能器的可能技术选项；得到基于SiPM读出的电磁量能器和颗粒度达1×1cm2基于大面积紧凑型气体探测器的强子量能器的技术选项，以及粒子能量泄漏补偿研究，解决相关设计中的关键问题；以切伦科夫探测器技术为主研究高能粒子分辨探测器的技术选项。3）加速器设计：完成单环麻花轨道，包括局部双环方案的磁聚焦结构设计和动力学孔径优化，以及误差效应、束流集体效应、麻花轨道效应等的分析。模拟对撞机中束束相互作用及其对对撞亮度的影响。研究探测器束流本底来源并进行模拟，完成束流准直系统设计。完成加速器探测器接合处本底、辐射分析研究及优化。5.原子核结构和性质以及高电荷态离子非平衡动力学研究5.1天体环境中关键核过程研究研究内容：依托兰州重离子加速器装置（HIRFL）研究天体环境中的关键核反应及衰变过程。考核指标：完善HIRFL核天体物理实验平台，精确测量相关—5—核素的质量、衰变寿命和反应率，确定热碳氮氧循环（HCNO）突破、快质子俘获（rp）、中微子质子（νp）等过程的核反应路径，理解相关天体事件中能量产生机制和灰烬中的元素丰度分布，探索宇宙元素起源。6.受控磁约束核聚变稳态燃烧6.1高密度下加热及电流驱动效率和协同效应研究研究内容：未来聚变反应堆相关高密度条件下的加热及电流驱动效率及协同问题。考核指标：明确高密度条件下各种加热和驱动手段的基本物理机制；提高射频波与等离子体耦合效率；实现总功率10MW、多种ITER相关加热手段间的高效协同。7.星系组分、结构和物质循环的光学—红外观测研究7.1黑洞与星系协同演化及其宇宙学效应研究研究内容：利用LAMOST、FAST和HXMT的观测数据，研究黑洞形成与星系协同演化及其宇宙学效应。考核指标：搜寻、认证并定点观测高红移星系和类星体，发展新方法高精度测量黑洞质量、星系恒星和气体质量，观测黑洞吸积的高能物理过程、物质外流和对星系的反馈，建立星系组装与黑洞相互作用动力学和多波段辐射模型、探索黑洞与星系的宇宙学演化规律。7.2致密天体观测研究—6—研究内容：利用硬X射线调制望远镜卫星（HXMT）以及天地一体化观测设备，搜寻黑洞、中子星等致密天体，测量致密天体的质量，并开展相关理论研究。考核指标：建立HXMT数据反演、噪声和背景模型，以及成像、能谱和计时分析方法；得到致密天体双星星表，确定黑洞的最小质量、中子星的最大质量；发现至少10个新的瞬变高能天体或者新的爆发事例；对新发现的高能变源开展后随观测证认和研究，建立不同类型的能谱态和时变态的演化和转换模型，理解黑洞附近吸积盘的行为并测量黑洞的自转，理解中子星磁球的性质并测量中子星表面磁场强度；构建黑洞和中子星等致密天体的质量分布。8.复杂体系的多自由度及多尺度综合研究8.1面向生物学和医学科学的多尺度成像方法及研究研究内容：发展基于先进光源和磁共振等技术的多尺度成像方法，对生命活动进行多尺度、多维度研究。考核指标：基于先进光源、强磁场装置等多种平台型装置联用，建立结构和功能一体化的，多维度、多尺度成像方法和平台，在单分子、细胞、组织、器官、个体等不同层次上揭示生命活动中结构与功能的物理化学机制，了解生命体系中相互作用、代谢调控、电子转移、构象涨落等关键过程及其联动网络；为慢性疾病诊疗等提供相关科学基础。—7—8.2多参量复合量子功能材料的表征与调控研究内容：相关材料结构和物性表征技术研发和实现，及多物理场条件对多重参量复合量子功能材料的调控研究。考核指标：利用并提升同步辐射光源、强磁场、散裂中子源等装置具备的相关条件，发展复合量子功能材料的高分辨表征技术；实现高分辨的材料结构表征、新奇量子态物性和新效应等的探测和调控；研制若干新型多参量复合量子功能材料，为相关技术发展和应用提供材料基础。9.高温高压高密度极端物理研究9.1强激光驱动新型粒子源和辐射源研究研究内容：强激光驱动新型粒子源和辐射源。考核指标：依托神光系列装置，建立拍瓦皮秒激光驱动粒子源的实验方法和技术，理解强激光驱动粒子加速和超快辐射的物理机制、掌握定标关系，建立强激光驱动产生高品质粒子束和辐射源的方法和技术，获得具有应用前景的粒子源（能量高于50MeV、品质优良的质子束等）和辐射源（空间分辨优于10微米、能量高于17keV的高亮x射线源）并演示在高能量密度物理诊断方面的应用。10.复杂湍流机理研究10.1高速边界层转捩机理、模型及其控制研究研究内容：高速边界层流动转捩机理、预测模型及其控制方法。—8—考核指标：获得高速边界层bypass转捩、横流转捩和边界层感受性等转捩过程的流动新现象；获得来流脉动、壁面粗超度、马赫数、雷诺数、壁温比等参数对转捩过程的影响规律；建立和完善针对先进航空航天飞行器设计需求的转捩预测新模型与新方法；发展高速边界层转捩的主/被动控制新技术，阐明其流动控制机理；获得转捩地面预示与飞行实验结果之间的天地相关性。11.多学科应用平台型装置上先进实验技术和实验方法研究11.1先进光源实验技术和新型实验方法研究内容：高性能同步辐射光源的关键实验技术和新型实验方法。考核指标：研发若干达到国际领先或先进水平的X射线探测器、微纳聚焦光学元件和部件，争取实现多项先进技术的转移转化；发展超高分辨X射线光学检测和矫正技术、精密X射线光学系统高热负荷缓释技术；发展相干以及相衬X射线成像与散射实验方法及串行晶体学方法，衍射、散射、吸收、成像、质谱等多种实验技术不同组合及其与时间分辨技术相结合的综合实验方法。11.2X射线原位实验技术研究和环境建设研究内容：真实样品环境条件及原位条件下的X射线原位实验技术。考核指标：建立样品环境，提供温度、压力、气氛、拉伸、电场、磁场等多种实验测试条件，适用固态、液态、气态，薄膜—9—或纤维等多种样品形态，满足材料合成、化学反应、外场作用等过程等中动态测试的需求。实现外场条件下的同步辐射X射线衍射、散射、吸收等实验技术，满足原子近邻结构、长程有序结构、电子结构、界面与表面、纳米或微米尺度结构等不同尺度结构研究的需求。发展在同步辐射光束线直接和原位研究工程大试样的实验技术和环境。11.3中子散射原位实验技术研究和样品环境建设研究内容：依托散裂中子源、绵阳研究堆和CARR堆，发展中子散射各种原位环境的实现及原位条件下的实验技术。考核指标：研发集低/高温、高压、强磁/电场、多气氛等多种条件、自动换样及远程控制的中子散射/衍射原位实验样品环境相关技术和设备。发展用中子散射直接和原位研究工程大试样的实验技术和环境。建立散裂中子多场耦合的原位实验样品环境。11.4白光中子源实验技术研究研究内容：依托中国散裂中子源的白光中子源开展核数据测量实验研究。考核指标：发展在白光中子源进行核数据精确测量的宽能谱中子飞行时间测量技术、复合测量（中子、（和带电粒子）大型探测器阵列的相关技术、强脉冲源数字化触发技术、满足高精度实验的极低本底控制技术、特殊样品（放射性）的制备和特殊实验条件（高低温和高压）的技术。—10—11.5脉冲强磁场极端条件下的实验技术和方法研究研究内容：脉冲强磁场极端条件下高精度、高灵敏度的测量技术；提高脉冲强磁场的磁场强度的技术。考核指标：掌握脉冲强磁场极端条件下比热、磁致伸缩、磁扭矩等新型测量方法；实现100特斯拉的磁场峰值和60特斯拉10毫秒平顶波形磁场；发展适用于脉冲强磁场与同步辐射X射线、散裂中子源联用的脉冲磁体结构及电源控制系统；掌握多电源协同工作、输出电流高精度的控制技术，实现时序控制精度高于毫秒级、电流控制精度优于千分之一的高精度、高灵敏度的测量技术。11.6稳态强磁场极端条件下关键实验技术和方法研究研究内容：稳态强磁场下磁共振、超快宽光谱联用表征技术，稳态强磁场下材料合成与表征融合技术。考核指标：掌握稳态强磁场下的高精度核磁共振、电子磁共振、超高压输运、超快光学探测的综合测量方法；解决小口径磁体与低温、高压、光学等实验技术的融合问题，实现稳态强磁场下磁共振（25T）谱仪、多频高场电子磁共振（82—690GHz间断频点）谱仪、超高压（300mK,100GPa）输运设备、超快宽光谱仪（THz波段,240～2600nm波段）的研制；掌握稳态强磁场下材料合成的原位探测技术。12.下一代先进光源核心