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科技视界 建成31年北京正负电子对撞机到底撞出了什么?

作者:AG  来源:AG  时间:2019-09-21 19:46  点击:

  导语:在高能物理研究领域,共和国首台大科学装置北京正负电子对撞机(BEPC)是τ-粲物理能区最先进的正负电子对撞机,实时观测基本粒子对撞产生的“碎片”,研究、探索粒子的性质和相互作用规律,发现新粒子。与此同时,这个大科学装置还在生物、材料、物理、化学、环境、能源等科学领域发挥着重要的作用。

  31年前,在北京八宝山东麓,我国第一台大科学装置——北京正负电子对撞机(BEPC)建成。它由长202米的直线米的圆型加速器(也称储存环)、高6米重650吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成,外型像一只硕大的羽毛球拍。

  到底什么是对撞机?这个坐落在地下的庞然大物到底是做什么的?科学家用它发现了什么?

  在中国科学院第十七次院士大会、中国工程院第十二次院士大会上,习总书记强调:“要高度重视原始性专业基础理论突破,加强科学基础设施建设,保证基础性、系统性、前沿性技术研究和技术研发持续推进,强化自主创新成果的源头供给。要积极主动整合和利用好全球创新资源,从我国现实需求、发展需求出发,有选择、有重点地参加国际大科学装置和科研基地及其中心建设和利用。”

  北京正负电子对撞机正是进行基础科学研究的大型科学装置,也许你对北京正负电子对撞机还不算了然,但它的提出、建成、升级,每一个过程都代表着我国高能物理的一步步发展,对人类了解世界的构成更是做出了杰出贡献。

  上个世纪50年代初,美、苏、欧等少数工业发达的国家和地区开始大力筹建高能加速器。虽然当时我国在高能物理领域与国际先进水平有很大差距,但仍希望有自己的加速器。1956年制定的《科学发展十二年远景规划》就提出“制造适当的高能加速器”的构想。然而从提出构想,到真正建设成北京正负电子对撞机,我国加速器的建成经历了颇为波折的命运。

  “从一九五六年起,高能物理工作,五起五落……高能物理实验几乎一片空白,高能物理研究则全是依靠外国的实验数据……”1972年9月,由张文裕、朱洪元、谢家麟、何祚庥等18位科学家中央的信中写道。

  七十年代末,我国的高能物理研究有了长足发展。随着“派出去,引进来”,我国与欧洲核子中心建立了频繁有序的科技交流,寻求到了部分技术和设备的支持;访美期间签署了中美两国在高能物理进行合作的协定;在李政道的大力撮合下,第一次中美高能物理联合委员会在北京召开。还有之前建成的预制研究基地、6个实验大厅以及10GeV质子直线加速器,为后面的研制打下了基础。

  因为有过经费的困难,此时,我国物理学家提出,能否制造一个规模小、便宜,但同样能做出好的物理成果的加速器?

  要了解到底建一个什么样的加速器,还有必要了解一下当时世界粒子物理学的发展状况。

  到上世纪60年代,物理学家已经发现了100多种粒子,他们考虑能否把这些粒子像元素周期表一样归类。1962年,美国物理学家盖尔曼发明了一种方法,可以为这些粒子(强子)归类,并且通过这种方法又预言了一个新粒子Ω-超子。美国布鲁克海文国家实验室的交变梯度同步加速器(AGS)验证了他的预言。接下来,他进一步设想原子核内的质子,是由更基本的3种粒子——夸克组成。夸克模型的成功让盖尔曼获得了1969年诺贝尔奖。虽然夸克模型并不是描述这些粒子相互作用的完整理论,但为基础物理研究开启了新的一页。

  1974年,在布鲁克海文实验室工作的丁肇中团队,利用质子打铍靶,发现了一个新粒子,他命名为J粒子。

  几乎同时,里克特用斯坦福直线加速器(SLAC)也发现了这个粒子,他命名为,因此这个粒子被称为J/。后来实验证明,这个粒子是由一对正反粲夸克组成的束缚态。两人的发现在物理学史中被称为“十一月”革命,人类对粒子的基本结构又有了新的认识,而与粲夸克相关的问题,所谓粲物理还在等待科学家发现。

  “当时在那个能区(粒子能量的区域)有很好的物理工作,但针对这一能区的加速器性能都不太好。”中国科学院高能物理研究所研究员张闯回忆说。

  中科院在1981年提出建造一台2X2.2GeV的正负电子对撞机,目标产生更多J/粒子,让我国进入高能物理的前沿研究。选择这一能区建造加速器,是经过了当时国内专家与李政道、吴健雄、袁家骝以及美国加速器专家潘诺夫斯基等人多次深入、反复论证得出的结果,而北京正负电子对撞机的立项也经过漫长磨合的过程。

  其实,从1980年年底高能所开始讨论加速器方案时就有很大分歧。比如,用质子还是电子?我国有一定制造质子加速器的经验,而且用质子打静止靶也会发现更多的粒子,有更好的物理意义。但无论是成本还是建设难度对当时我国情况提出了极大的挑战。

  即使这个电子对撞的方案有众多优势,也仍然遭到了反对:连静止打靶加速器都没完全做出来,一步登天造对撞机,我们行吗?“物理窗口”(指粲物理领域需要深入研究的空白领域)在对撞机建成后还有吗?能否实现长期稳定运行,一机两用?

  1983年4月,经国务院批准,北京正负电子对撞机(BEPC)方案上马,计划4年完成。12月,党中央、国务院将其列入国家重点工程项目,代号8312工程。

  汇集全国力量,BEPC开工了。随着磁铁、高频机、调速管、调制器等高难度专用设备试制成功,所有人对其建成更有信心。但依然存在很多问题,能否按期完成?建成后能否达到预期目标?能否实现稳定运行?随着工程竣工,在1988年10月16日首次实现正负电子对撞,成功达到设计预期亮度(指对撞机主要性能)后,这些问题得到了完美的答案。北京正负电子对撞机成为J/粒子能区性能最好的加速器。

  “我有个梦想,做中国自己的加速器”,39年前,张闯第一次出国,在费米国家实验室楼顶俯瞰6公里长的加速器,感慨中国什么时候有自己的高能加速器,这次他圆梦了。

  无论是加速器建设,还是让它稳定运行,我国的科研工作者付出了常人难以想象的艰辛。他们白天用穿孔纸带计算数据,晚上值班担心突如其来的电话,由数十万组件集合而成的大科学装置,任何一个小元件的损坏故障都会使BEPC停运。BEPC最初有近30%的时间花费在设备维护上,经过3年的努力把故障率降到5%以下,平稳运行至今。

  BEPC外型像一个巨大的羽毛球拍,球拍的“把”是一台长202米的正负电子直线加速器。电子枪发射出的电子在加速管中不断得到加速,一部分电子束再轰击钨靶后产生正负电子束,正负电子束通过输运线米的球拍“框”——储存环中,不断地积累、储存、加速、对撞。

  2013年5月20日,北京科技周主场活动上,工作人员在给学生介绍电子对撞机模型

  球拍的正顶部是对撞点,这里有一台探测器,是北京正负电子对撞机同时建造的大科学装置北京谱仪(BES),电子发生了什么会在这里检测出来。而在环线的切线方向,安放了同步辐射装置(BSRF),实验室能开展同步辐射相关的实验。北京正负电子对撞机,真正做到了“一机两用”。

  电子对撞机可在微观尺度上还原宇宙大爆炸后的宇宙初期形态,帮助科学家研究宇宙起源并寻找新粒子

  一用是粒子对撞,二用就是同步辐射。同步辐射就是带电粒子接近光速时,若在电磁场中偏转,就会沿切线方向发射出一种电磁辐射,像下雨天旋转雨伞,水滴会从伞的边缘飞射出去一样。这种电子的自发辐射,成为探究原子、分子水平世界的有力工具,在生命科学、材料科学、凝聚态物理、环境科学等领域发挥重要作用。

  上世纪九十年代初国内还没有互联网,北京正负电子对撞机工程进入了实验数据分析阶段,由于中美国际合作需要建立一条Internet专线来传输实验数据以及各种信息,就这样在高能所架设了第一台服务器,我国第一个站就此诞生。其实,这不过是大科学工程附带的好处之一。

  一封潘诺夫斯基教授写给宋平常委和科学院院长的报告段落,建议中美之间架设一条新的高速电子数据网线(图片来自网络)

  由于BEPC的建造成功,美国斯坦福电子直线探测器停止运行,部分人员参加到中国的对撞机上工作,成立了北京谱仪合作组。

  在BEPC运行之初,科学家就把能量放在了产生J/粒子的能区上,寻求更多的数据以便对这种粒子进行物理分析。90年代初,国际高能物理学界发现了新问题,实验测出的τ轻子质量与相关的理论不符。这是一个很大的理论挑战,如果实验测量正确,意味着公认的轻子普适性原理被破坏,可能出现新的物理理论。另一种可能则是实验测出的质量不准。

  1992年,BEPC给出了τ轻子质量的精准测量,精度比原来提高了10倍,原来的结果有较大的偏差。标准模型并没有倒塌。更新了粒子物理学数据权威《粒子物理手册》(PDG),被认为是当年国际最好的粒子物理成果。

  张闯说:“τ轻子质量测量只是当时影响力最大的成果之一。”实际上在粲物理能区,对粲偶素、粲介子的研究如同打开了一座宝库,至今更新了PDG中的800余项数据。另一项影响力较大的是R值(强子产生截面,表征单位亮度的对撞机在单位时间产生粒子的概率)测量。减小R值测量误差的实验结果,对于寻找希格斯粒子(上帝粒子)有重要作用。得出的结果更新了希格斯粒子的质量下限,证实了当时国际最强的加速器都无法产生希格斯粒子。

  BEPC并不是没有竞争对手,2000年美国康奈尔大学正负电子对撞机CESR降能至粲物理能区,并且提出了改造方案——要比BEPC设计亮度还要高的CESRc。中国最终接受挑战,提出重大改造升级BEPCII。建成后的BEPCII,亮度为CESRs的14倍以上,成为国际上最先进的双环对撞机之一,继续保持在粲物理领域国际领先的地位。同时北京谱仪改造成性能世界一流的探测器,BES III。

  “我们期待来自BES III的一系列重要物理发现”,来自康奈尔的赖斯教授在发给高能所的贺信中说。升级后的第三代北京谱仪(BES III)发现了新的“四夸克物质”,在2013年美国《物理》杂志公布的十一项重要成果中位列第一。

  同步辐射装置也硕果累累,目前每年接待100多个单位进行500余项试验。SARS病毒的主蛋白酶结构,以及与药物靶分子作用,就是在BSRF生物大分子站开展的,为抗击SARS病毒提供了重要信息。

  砒霜治疗白血病的分子机制,也是在BSRF中的实验站观测得到。另外,古生物学家还利用北京同步辐射装置对一块琥珀进行了无损成像,得到了隐藏在琥珀中的恐龙尾部椎骨的高质量投影图像,进而构建出恐龙尾部的高清3D形态,凭借此技术,人类有史以来第一次在琥珀中发现恐龙化石……这些学术成果,正印证着我国科研从跟跑到并跑,到今天部分领域领跑的发展状况。

  另外,不得不提的是,BEPC的建设对各种加速器、同步辐射装置起到了奠基作用,推动了我国工业发展。成都飞机工业集团承担BEPCII工程中北京谱仪III漂移室室体的研制,通过合作,成飞集团精密机械加工技术水平提高了10倍,促进了其自身产品的技术进步。

  BEPC目前还没有做出诺贝尔奖级的工作,高能所前副所长李卫国研究员说:“我们做出实验,包括新发现的粒子,需要理论的配合,这方面难度很大。”李卫国承认,做出世界级成果很有难度,国际上的热点也在高能量区。BES,在粲能区有丰富的发现和潜力,想研究粲物理,就来BEPC。

  北京正负电子对撞机的建设、运行、成果,真正实现了“中国必须发展自己的高科技,在世界高科技领域占有一席之地”。(记者 刘辛味 本专栏与“科普中央厨房”“科学加”客户端合作建设 责任编辑 王小宁)

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