超高能研究必須對(duì)撞 在億萬粒子中找不同

天安門廣場(chǎng)向西約15公里，形似一只羽毛球拍的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)大部分結(jié)構(gòu)由北向南臥在地下，它由一臺(tái)長(zhǎng)202米的直線加速器、一組共200米長(zhǎng)的束流輸運(yùn)線、一臺(tái)周長(zhǎng)240米的儲(chǔ)存環(huán)加速器、一座高6米重700噸的大型探測(cè)器“北京譜儀”和14個(gè)同步輻射實(shí)驗(yàn)站等組成。

除了2004年至2008年進(jìn)行的重大改造工程以及每年的檢修時(shí)間，在這個(gè)地下的龐然大物里，正負(fù)電子幾乎一刻不停地對(duì)撞，產(chǎn)生各種粒子事例，由布設(shè)在對(duì)撞區(qū)周圍的譜儀捕捉，再由科學(xué)家初選出事例、進(jìn)行物理分析。

進(jìn)入中科院高能物理所44年，張闖幾乎參與了北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)及其重大改造工程的全過程。“在世界上最權(quán)威的粒子數(shù)據(jù)表上，北京譜儀測(cè)量的數(shù)據(jù)超過1000項(xiàng)，每一項(xiàng)數(shù)據(jù)就是一項(xiàng)成果?？梢哉f，粲物理領(lǐng)域的絕大多數(shù)精確測(cè)量都是北京譜儀合作組完成的。”張闖很驕傲，他和他的同行，見證了北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)成就的粲物理領(lǐng)域30年領(lǐng)先。

超高能研究必須對(duì)撞

高能物理所研究員、北京譜儀III發(fā)言人苑長(zhǎng)征介紹說，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)是一臺(tái)高能加速器，它提供的正負(fù)電子束流主要做兩件事：一是高能物理實(shí)驗(yàn)，即北京譜儀實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)出了一系列重大成果;二是同步輻射應(yīng)用研究，也就是利用對(duì)撞時(shí)產(chǎn)生的同步輻射光供諸多學(xué)科領(lǐng)域開展研究，每年有大約500多個(gè)實(shí)驗(yàn)在這里完成。

張闖研究員展示了一張漫畫，兩只小松鼠站在機(jī)器的兩頭，手中各拿著一個(gè)核桃，“把核桃往地上扔可能打不開，但讓兩個(gè)核桃高速對(duì)撞可能就能撞開。我們實(shí)際上就是要把粒子對(duì)撞打開，看里面是什么東西。速度越快、撞得越碎，越可能有所發(fā)現(xiàn)。”他用這個(gè)例子解釋了“為什么要對(duì)撞”。

“如果不對(duì)撞，而是用電子束打靜止靶，產(chǎn)生的有效的相互作用能量要小得多。1954年，著名的物理學(xué)家費(fèi)米提出建造質(zhì)心能量為3TeV的高能加速器，按當(dāng)時(shí)的技術(shù)，采用打靜止靶的方案，需要加速器的半徑達(dá)到8000公里，比地球還要大;而歐洲強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的半徑只有4.3公里，就達(dá)到了13TeV的質(zhì)心能量，所以超高能研究一定要讓兩個(gè)束流進(jìn)行對(duì)撞。”張闖說，但是束流對(duì)撞要求粒子多、截面積小、頻率高，才能獲得足夠高的對(duì)撞亮度，因此難度也大得多。

“正負(fù)電子不斷對(duì)撞，科學(xué)家獲取分析對(duì)撞產(chǎn)生的大量事例，看其中是否可能有一些稀有現(xiàn)象，披沙揀金一般，各種新粒子都是這樣現(xiàn)身的。”張闖說。

在億萬粒子中找不同

在粲物理領(lǐng)域，絕大多數(shù)精確測(cè)量都是北京譜儀合作組完成的。

這來源于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的卓越性能。“1988年10月16日對(duì)撞成功，運(yùn)行30多年。對(duì)撞機(jī)是經(jīng)過幾代人的努力做出來的，我們這一代曾面臨康奈爾大學(xué)的挑戰(zhàn)，對(duì)方把能量降下來和我們競(jìng)爭(zhēng)，一時(shí)間超過了我們，我們做了重大改造，在世界同類型裝置中繼續(xù)保持領(lǐng)先地位。”張闖說。2004年改造以前，對(duì)撞機(jī)以一對(duì)束團(tuán)，每秒對(duì)撞約一百萬次，2008年完成改造后，它成為目前的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，約100個(gè)束團(tuán)，每秒對(duì)撞約一億次，加上其他性能的提升，亮度比改造前提高了100倍。

在粒子物理領(lǐng)域存在三個(gè)研究前沿，分別是高能量前沿、高強(qiáng)度前沿、宇宙學(xué)前沿，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)處于高強(qiáng)度前沿，另外兩端分別有大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)、國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)(ILC)、未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)(CEPC和FCC)等和高山宇宙線、空間探測(cè)器、望遠(yuǎn)鏡等。

站在極廣大和極幽微的端點(diǎn)，物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究尺度不同。張闖的講述中，在20世紀(jì)初，人類認(rèn)識(shí)的世界小到10的-10次方米的原子，大到10的11次方米遠(yuǎn)的行星。到1930年代，這個(gè)范圍擴(kuò)大到原子核和恒星。到了2000年，依托大科學(xué)裝置，人類的視野深入到10的-18次方米的夸克、擴(kuò)展到10的25次方米遠(yuǎn)的浩瀚太空。對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索是人類一步步走出洞穴的過程。

令人驚喜的是，接受采訪時(shí)，苑長(zhǎng)征表示最近有一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：北京譜儀Ⅲ合作組(BESⅢ合作組)發(fā)現(xiàn)正負(fù)電子對(duì)撞中蘭布達(dá)超子存在橫向極化，合作組利用2009年和2012年采集的13億粲偶素?cái)?shù)據(jù)，選出了純度高、質(zhì)量好的42萬事例，發(fā)現(xiàn)由此產(chǎn)生的蘭布達(dá)超子存在高達(dá)25%的橫向極化。這項(xiàng)成果剛在英國(guó)《自然·物理》雜志刊出。

為牽頭大科學(xué)計(jì)劃樹立規(guī)范

張闖打開電腦，進(jìn)入對(duì)撞機(jī)的顯示頁(yè)面，屏幕上兩條曲線沿時(shí)間軸向前推移，一條代表正電子流強(qiáng)的紅線，一條代表負(fù)電子流強(qiáng)的藍(lán)線，高點(diǎn)約在600毫安，大概一小時(shí)后，兩條線勻速降至低點(diǎn)，約450毫安，這代表粒子數(shù)量越來越少，控制室的工作人員操作按鍵，注入正負(fù)電子，曲線抬頭，繼續(xù)每秒一億次的對(duì)撞。

來自全世界14個(gè)國(guó)家、64所研究機(jī)構(gòu)的400多名科學(xué)家，每天都可以在世界各地點(diǎn)開這個(gè)頁(yè)面，看到兩條曲線。

“從1989年開始實(shí)驗(yàn)起，就建立起北京譜儀合作組，這個(gè)合作組三十年來一直在一起做實(shí)驗(yàn)，是很不容易的。”張闖說，這套由中國(guó)牽頭的國(guó)際重大科學(xué)裝置的合作規(guī)則，也是北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，為后來者做出示范。

它將來會(huì)不會(huì)壽終正寢?張闖很坦然：我們的優(yōu)勢(shì)還會(huì)保持十年以上，這十年要繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)，比如繼續(xù)研究輕強(qiáng)子譜和新強(qiáng)子態(tài)等，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，看是否需要進(jìn)一步提高性能。

近幾年，關(guān)于中國(guó)是否要建造環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(CEPC)的爭(zhēng)論持續(xù)進(jìn)行。去年底，兩卷本的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)《CEPC概念設(shè)計(jì)報(bào)告》正式發(fā)布。前幾天楊振寧在公開演講中重申反對(duì)建設(shè)的觀點(diǎn)，再次將爭(zhēng)論擺上臺(tái)面。

“有爭(zhēng)論很正常。”張闖不假思索，“但科學(xué)研究會(huì)找到自己的方向，比如我們的對(duì)撞機(jī)繼續(xù)向前走，有需要可能再改造。如果暫時(shí)不能做高能量前沿，還可以做高強(qiáng)度前沿。如果因?yàn)榻?jīng)費(fèi)或者技術(shù)原因不能做，可以等將來成熟了再做。”

“但最好能盡快挺進(jìn)高能量前沿。”他補(bǔ)充。較量不可避免，“除了歐洲的FCC，日本還可能要做ILC，國(guó)際上既有合作、也有競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)然，希望下一代最強(qiáng)對(duì)撞機(jī)依然在中國(guó)。”張闖笑說。

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