北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 大裝置探索“小宇宙”

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的正負(fù)電子輸運(yùn)線。 (資料圖片)

在高能物理研究領(lǐng)域，BEPC是陶—粲物理能區(qū)最先進(jìn)的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，實(shí)時(shí)觀測(cè)基本粒子對(duì)撞產(chǎn)生的“碎片”，研究、探索粒子的性質(zhì)和相互作用規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新粒子。與此同時(shí)，這個(gè)大科學(xué)裝置還在生物、材料、物理、化學(xué)、環(huán)境、能源等科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用

北京市玉泉路上，一片灰色低矮的樓房格外靜謐，很難想象這里就是北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPC)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。我國(guó)第一臺(tái)大科學(xué)裝置——北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)坐落于中科院高能物理所，一年當(dāng)中有10個(gè)月在高速運(yùn)轉(zhuǎn)，目標(biāo)是尋找物質(zhì)深層次的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)新粒子，探索宇宙的奧秘。這是全世界物理學(xué)家共同的追求，誰(shuí)能發(fā)現(xiàn)新物理、新現(xiàn)象和新粒子，誰(shuí)便是最大的贏家。

大裝置探索“小宇宙”

中科院高能物理所大裝置管理中心工程師何培元告訴經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)記者，因?yàn)檎趫?zhí)行一年一度的任務(wù)——利用對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的同步輻射光開展多學(xué)科的研究，此時(shí)位于地下的儲(chǔ)存環(huán)隧道大門緊閉，操作人員在樓上的監(jiān)控室內(nèi)緊盯運(yùn)行狀態(tài)。

在科學(xué)家們看來(lái)，對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的每一個(gè)重大突破都會(huì)對(duì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。而對(duì)撞機(jī)等加速器的問(wèn)世，開創(chuàng)了粒子物理的新紀(jì)元。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知從分子、原子、原子核層次，逐步深入到更小的結(jié)構(gòu)單元——輕子和夸克。已知的這些“基本”粒子是否是物質(zhì)的最小單元，是否還有新粒子存在，它們的質(zhì)量幾何、有啥特性……揭開這些謎題，一方面需要能產(chǎn)生極高能量的加速器將這些微小粒子打碎，進(jìn)一步研究其微觀結(jié)構(gòu);另一方面，尋找新粒子的任務(wù)，也有賴于這一“抓捕”工具。

“超級(jí)粒子大炮”，是科學(xué)家們送給北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的外號(hào)，它由4個(gè)部分組成：電子注入器、儲(chǔ)存環(huán)、大型粒子探測(cè)器北京譜儀、同步輻射裝置，從沙盤上看，外形像一只碩大的羽毛球拍。

作為見證者，中科院高能物理所研究員張闖在這座地下迷宮已工作了30年。他告訴記者，球拍的直柄部分是注入器，在這里，電子槍發(fā)射的正負(fù)電子束流，經(jīng)一臺(tái)202米長(zhǎng)的直線加速器被加速到1.1—1.89GeV(1GeV=10億電子伏特)。球拍的圓形部分是儲(chǔ)存環(huán)，這是一臺(tái)周長(zhǎng)為240米的環(huán)形加速器，它將正負(fù)電子束流加速到光速，并加以儲(chǔ)存。球拍的頂端是對(duì)撞機(jī)的心臟部位——北京譜儀，在這里，正負(fù)電子束流按相反的方向以每秒125萬(wàn)圈的速度狂奔，并聚焦到大小只有頭發(fā)絲十分之一左右的空間內(nèi)對(duì)撞，巨型機(jī)器猶如幾萬(wàn)只眼睛，實(shí)時(shí)觀測(cè)基本粒子對(duì)撞產(chǎn)生的“碎片”——次級(jí)粒子，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析、研究，探索這些粒子的性質(zhì)和相互作用規(guī)律，便有可能觀測(cè)到新現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)新粒子。

挖掘物理研究富礦

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)呱呱墜地的那個(gè)秋天，對(duì)于86歲的中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所原所長(zhǎng)方守賢來(lái)說(shuō)，仿佛還是昨天的事，“BEPC正式建成，從此，我國(guó)有了第一臺(tái)大科學(xué)裝置”。

在方守賢的記憶里，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)是在“七上七下”的挫折中誕生的。我國(guó)1958年就設(shè)計(jì)出20億電子伏電子同步加速器，但在當(dāng)時(shí)的形勢(shì)下，這一設(shè)計(jì)因“保守落后”被否。1960年5月，科學(xué)家完成了螺旋線回旋加速器的初步設(shè)計(jì)，由于經(jīng)濟(jì)困難，方案3年后被取消。1969年，科學(xué)家又提出了建造強(qiáng)流直線加速器用于探索、研究、生產(chǎn)核燃料的計(jì)劃，可是計(jì)劃在與另兩個(gè)方案的爭(zhēng)論中無(wú)疾而終……

1981年5月，中科院高能所在國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的建議和意見的基礎(chǔ)上，提出了第8個(gè)方案——建造束流能量為22億電子伏的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。1984年10月7日，鄧小平同志為北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)工程奠基鏟下第一鍬土。

為何是22億電子伏?一般來(lái)說(shuō)，不同類型和不同能量的高能加速器服務(wù)于不同目的的粒子物理實(shí)驗(yàn)，每臺(tái)加速器一般只能在一定能區(qū)工作，進(jìn)行特定的物理研究。尤其是對(duì)撞機(jī)，能量可調(diào)的范圍很小，能量高的對(duì)撞機(jī)并不能代替能量低的對(duì)撞機(jī)。

之所以選擇2×22億電子伏正負(fù)電子對(duì)撞的能區(qū)，張闖解釋，電子束的能量不同時(shí)，對(duì)撞產(chǎn)生的粒子也不同。1.55GeV的正負(fù)電子束對(duì)撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生J/Psi粒子(由粲夸克組成的一種粲粒子);1.78GeV的正負(fù)電子束對(duì)撞時(shí)，產(chǎn)生陶輕子(輕子的一種，電子也是一種輕子)。通過(guò)控制對(duì)撞的電子束流的能量，BEPC就可以研究這兩種不同的粒子。這兩種粒子是BEPC的主要研究對(duì)象，它們所在的能量區(qū)域?qū)儆谔?mdash;粲物理能區(qū)，是物理研究的富礦。

不僅如此，BEPC的投資較相同能區(qū)的質(zhì)子加速器要小得多，還可以“一機(jī)兩用”——高速運(yùn)轉(zhuǎn)的正負(fù)電子在軌道轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)發(fā)出同步輻射光，這種光具有強(qiáng)度大、高度準(zhǔn)直等優(yōu)點(diǎn)，可以用于開展多學(xué)科的應(yīng)用研究。

事實(shí)證明，這一選擇沒(méi)有錯(cuò)。1992年，用于探測(cè)并記錄正負(fù)電子對(duì)撞全過(guò)程的北京譜儀，精確測(cè)量出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的τ輕子質(zhì)量，修正了以前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，至今仍是世界上最為精確的測(cè)量之一。

2013年3月，該裝置發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的共振結(jié)構(gòu)Zc(3900)，極有可能是科學(xué)家們長(zhǎng)期尋找的“四夸克物質(zhì)”。這一成果一經(jīng)發(fā)布立即引發(fā)世界實(shí)驗(yàn)和理論物理研究熱潮，入選美國(guó)《物理》雜志公布的2013年物理學(xué)領(lǐng)域十一項(xiàng)重要成果，并位列榜首。

牢牢抓住趕超機(jī)會(huì)

除了“高大上”的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，BEPC還在生物、材料、物理、化學(xué)、環(huán)境、能源等科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。在抗擊非典的斗爭(zhēng)中，一項(xiàng)關(guān)于藥物與非典病毒分子相互作用的研究工作就是在BEPC上完成的：中國(guó)科學(xué)院院士饒子和利用同步輻射系統(tǒng)在世界上率先完成了SARS病毒蛋白質(zhì)DNA結(jié)構(gòu)的測(cè)定，首次獲得了其蛋白酶大分子結(jié)構(gòu)，得到了有效的藥物靶分子，為研制治療SARS病毒的藥物提供了重要信息。

如今人們觸手可及的互聯(lián)網(wǎng)也與BEPC有著密不可分的聯(lián)系。1986年我國(guó)建成第一條國(guó)際計(jì)算機(jī)通信線路，1993年建成第一根國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)專線，之后，建立中國(guó)第一個(gè)萬(wàn)維網(wǎng)(WWW)網(wǎng)站……這一切都和BEPC直接相關(guān)。

斗轉(zhuǎn)星移，如今BEPC已走過(guò)了30個(gè)年頭。在BEPC運(yùn)行研究的陶—粲物理能區(qū)，曾經(jīng)有個(gè)強(qiáng)勁的對(duì)手——美國(guó)康奈爾大學(xué)。但是，BEPC憑借優(yōu)異的表現(xiàn)和升級(jí)改造打敗了它，成為目前該能區(qū)世界唯一也是最先進(jìn)的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。

欣喜之余亦有隱憂。張闖說(shuō)，在高能物理研究領(lǐng)域，只有第一沒(méi)有第二，每個(gè)國(guó)家的加速器都有自己的實(shí)驗(yàn)?zāi)軈^(qū)，一旦同一個(gè)能區(qū)有了競(jìng)爭(zhēng)者，最終只能有一個(gè)勝出。

未來(lái)，BEPC壽終正寢，中國(guó)高能物理何去何從?瞄準(zhǔn)世界物理最前沿?zé)狳c(diǎn)——希格斯玻色子粒子研究，規(guī)劃建設(shè)更高能量的新一代對(duì)撞機(jī)環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(CEPC)，這是中國(guó)高能物理學(xué)家們的新目標(biāo)。中科院院士、中科院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳說(shuō)，研究希格斯粒子，是通向更深層次物理的鑰匙，正好給我國(guó)的高能物理發(fā)展提供了一個(gè)趕超、領(lǐng)先的絕佳機(jī)遇。一旦環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)建成，中國(guó)將成為全球高能物理研究的中心，吸引全世界最優(yōu)秀的一批科學(xué)家和工程師來(lái)華工作，并作為龍頭帶動(dòng)一系列核心技術(shù)的發(fā)展，在核物理、國(guó)防、材料、微加工、大型部件檢測(cè)等方面可以大量應(yīng)用。

王貽芳透露，截至目前，新一代對(duì)撞機(jī)CEPC已完成概念設(shè)計(jì)并獲國(guó)際評(píng)審認(rèn)可，經(jīng)費(fèi)也基本到位，預(yù)研工作全面展開。

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