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2018-12-04 16:33:08
北京正負電子對撞機國家實驗室 大裝置探索“小宇宙”
2018-12-04 16:33:08 來源: 經濟日報
北京正負電子對撞機的正負電子輸運線。 (資料圖片)
在高能物理研究領域，BEPC是陶—粲物理能區最先進的正負電子對撞機，實時觀測基本粒子對撞產生的“碎片”，研究、探索粒子的性質和相互作用規律，發現新粒子。與此同時，這個大科學裝置還在生物、材料、物理、化學、環境、能源等科學領域發揮著重要的作用
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電子對撞機(BEPC)國家實驗室。我國第一臺大科學裝置——北京正負電子對撞機坐落于中科院高能物理所，一年當中有10個月在高速運轉，目標是尋找物質深層次的結構，發現新粒子，探索宇宙的奧秘。這是全世界物理學家共同的追求，誰能發現新物理、新現象和新粒子，誰便是最大的贏家。
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濟日報記者，因為正在執行一年一度的任務——利用對撞機產生的同步輻射光開展多學科的研究，此時位于地下的儲存環隧道大門緊閉，操作人員在樓上的監控室內緊盯運行狀態。
在科學家們看來，對物質結構認識的每一個重大突破都會對社會發展產生重大影響。而對撞機等加速器的問世，開創了粒子物理的新紀元。
隨著科學技術的發展，人類對于物質結構的認知從分子、原子、原子核層次，逐步深入到更小的結構單元——輕子和夸克。已知的這些“基本”粒子是否是物質的最小單元，是否還有新粒子存在，它們的質量幾何、有啥特性……揭開這些謎題，一方面需要能產生極高能量的加速器將這些微小粒子打碎，進一步研究其微觀結構;另一方面，尋找新粒子的任務，也有賴于這一“抓捕”工具。
“超級粒子大炮”，是科學家們送給北京正負電子對撞機的外號，它由4個部分組成：電子注入器、儲存環、大型粒子探測器北京譜儀、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，電子槍發射的正負電子束流，經一臺202米長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存環，這是一臺周長為240米的環形加速器，它將正負電子束流加速到光速，并加以儲存。球拍的頂端是對撞機的心臟部位——北京譜儀，在這里，正負電子束流按相反的方向以每秒125萬圈的速度狂奔，并聚焦到大小只有頭發絲十分之一左右的空間內對撞，巨型機器猶如幾萬只眼睛，實時觀測基本粒子對撞產生的“碎片”——次級粒子，并記錄相關數據。
對這些數據進一步分析、研究，探索這些粒子的性質和相互作用規律，便有可能觀測到新現象和發現新粒子。
挖掘物理研究富礦
北京正負電子對撞機呱呱墜地的那個秋天，對于86歲的中國科學院院士、中國科學院高能物理研究所原所長方守賢來說，仿佛還是昨天的事，“BEPC正式建成，從此，我國有了第一臺大科學裝置”。
在方守賢的記憶里，北京正負電子對撞機是在“七上七下”的挫折中誕生的。我國1958年就設計出20億電子伏電子同步加速器，但在當時的形勢下，這一設計因“保守落后”被否。1960年5月，科學家完成了螺旋線回旋加速器的初步設計，由于經濟困難，方案3年后被取消。1969年，科學家又提出了建造強流直線加速器用于探索、研究、生產核燃料的計劃，可是計劃在與另兩個方案的爭論中無疾而終……
1981年5月，中科院高能所在國內外專家學者的建議和意見的基礎上，提出了第8個方案——建造束流能量為22億電子伏的正負電子對撞機。1984年10月7日，鄧小平同志為北京正負電子對撞機工程奠基鏟下第一鍬土。
為何是22億電子伏?一般來說，不同類型和不同能量的高能加速器服務于不同目的的粒子物理實驗，每臺加速器一般只能在一定能區工作，進行特定的物理研究。尤其是對撞機，能量可調的范圍很小，能量高的對撞機并不能代替能量低的對撞機。
之所以選擇2×22億電子伏正負電子對撞的能區，張闖解釋，電子束的能量不同時，對撞產生的粒子也不同。1.55GeV的正負電子束對撞時，會產生J/Psi粒子(由粲夸克組成的一種粲粒子);1.78GeV的正負電子束對撞時，產生陶輕子(輕子的一種，電子也是一種輕子)。通過控制對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的主要研究對象，它們所在的能量區域屬于陶—粲物理能區，是物理研究的富礦。
不僅如此，BEPC的投資較相同能區的質子加速器要小得多，還可以“一機兩用”——高速運轉的正負電子在軌道轉彎時會發出同步輻射光，這種光具有強度大、高度準直等優點，可以用于開展多學科的應用研究。
事實證明，這一選擇沒有錯。1992年，用于探測并記錄正負電子對撞全過程的北京譜儀，精確測量出粒子物理標準模型中的τ輕子質量，修正了以前的實驗結果，至今仍是世界上最為精確的測量之一。
2013年3月，該裝置發現了一個新的共振結構Zc(3900)，極有可能是科學家們長期尋找的“四夸克物質”。這一成果一經發布立即引發世界實驗和理論物理研究熱潮，入選美國《物理》雜志公布的2013年物理學領域十一項重要成果，并位列榜首。
牢牢抓住趕超機會
除了“高大上”的基礎研究領域，BEPC還在生物、材料、物理、化學、環境、能源等科學領域發揮著重要的作用。在抗擊非典的斗爭中，一項關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：中國科學院院士饒子和利用同步輻射系統在世界上率先完成了SARS病毒蛋白質DNA結構的測定，首次獲得了其蛋白酶大分子結構，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網也與BEPC有著密不可分的聯系。1986年我國建成第一條國際計算機通信線路，1993年建成第一根國際互聯網專線，之后，建立中國第一個萬維網(WWW)網站……這一切都和BEPC直接相關。
斗轉星移，如今BEPC已走過了30個年頭。在BEPC運行研究的陶—粲物理能區，曾經有個強勁的對手——美國康奈爾大學。但是，BEPC憑借優異的表現和升級改造打敗了它，成為目前該能區世界唯一也是最先進的正負電子對撞機。
欣喜之余亦有隱憂。張闖說，在高能物理研究領域，只有第一沒有第二，每個國家的加速器都有自己的實驗能區，一旦同一個能區有了競爭者，最終只能有一個勝出。
未來，BEPC壽終正寢，中國高能物理何去何從?瞄準世界物理最前沿熱點——希格斯玻色子粒子研究，規劃建設更高能量的新一代對撞機環形正負電子對撞機(CEPC)，這是中國高能物理學家們的新目標。中科院院士、中科院高能物理研究所所長王貽芳說，研究希格斯粒子，是通向更深層次物理的鑰匙，正好給我國的高能物理發展提供了一個趕超、領先的絕佳機遇。一旦環形正負電子對撞機建成，中國將成為全球高能物理研究的中心，吸引全世界最優秀的一批科學家和工程師來華工作，并作為龍頭帶動一系列核心技術的發展，在核物理、國防、材料、微加工、大型部件檢測等方面可以大量應用。
王貽芳透露，截至目前，新一代對撞機CEPC已完成概念設計并獲國際評審認可，經費也基本到位，預研工作全面展開。
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