北京正负电子对撞机国家实验室 大装置探索“小宇宙” _中国创投网 - 鸿运国际客户端
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北京正负电子对撞机的正负电子输运线。 (资料图片)

在高能物理研究领域,BEPC是陶—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

北京市玉泉路上,一片灰色低矮的楼房格外静谧,很难想象这里就是北京正负电子对撞机(BEPC)国家实验室。我国第一台大科学装置——北京正负电子对撞机坐落于中科院高能物理所,一年当中有10个月在高速运转,目标是寻找物质深层次的结构,发现新粒子,探索宇宙的奥秘。这是全世界物理学家共同的追求,谁能发现新物理、新现象和新粒子,谁便是最大的赢家。

大装置探索“小宇宙”

中科院高能物理所大装置管理中心工程师何培元告诉经济日报记者,因为正在执行一年一度的任务——利用对撞机产生的同步辐射光开展多学科的研究,此时位于地下的储存环隧道大门紧闭,操作人员在楼上的监控室内紧盯运行状态。

在科学家们看来,对物质结构认识的每一个重大突破都会对社会发展产生重大影响。而对撞机等加速器的问世,开创了粒子物理的新纪元。

随着科学技术的发展,人类对于物质结构的认知从分子、原子、原子核层次,逐步深入到更小的结构单元——轻子和夸克。已知的这些“基本”粒子是否是物质的最小单元,是否还有新粒子存在,它们的质量几何、有啥特性……揭开这些谜题,一方面需要能产生极高能量的加速器将这些微小粒子打碎,进一步研究其微观结构;另一方面,寻找新粒子的任务,也有赖于这一“抓捕”工具。

“超级粒子大炮”,是科学家们送给北京正负电子对撞机的外号,它由4个部分组成:电子注入器、储存环、大型粒子探测器北京谱仪、同步辐射装置,从沙盘上看,外形像一只硕大的羽毛球拍。

作为见证者,中科院高能物理所研究员张闯在这座地下迷宫已工作了30年。他告诉记者,球拍的直柄部分是注入器,在这里,电子枪发射的正负电子束流,经一台202米长的直线加速器被加速到1.1—1.89GeV(1GeV=10亿电子伏特)。球拍的圆形部分是储存环,这是一台周长为240米的环形加速器,它将正负电子束流加速到光速,并加以储存。球拍的顶端是对撞机的心脏部位——北京谱仪,在这里,正负电子束流按相反的方向以每秒125万圈的速度狂奔,并聚焦到大小只有头发丝十分之一左右的空间内对撞,巨型机器犹如几万只眼睛,实时观测基本粒子对撞产生的“碎片”——次级粒子,并记录相关数据。

对这些数据进一步分析、研究,探索这些粒子的性质和相互作用规律,便有可能观测到新现象和发现新粒子。

挖掘物理研究富矿

北京正负电子对撞机呱呱坠地的那个秋天,对于86岁的中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所原所长方守贤来说,仿佛还是昨天的事,“BEPC正式建成,从此,我国有了第一台大科学装置”。

在方守贤的记忆里,北京正负电子对撞机是在“七上七下”的挫折中诞生的。我国1958年就设计出20亿电子伏电子同步加速器,但在当时的形势下,这一设计因“保守落后”被否。1960年5月,科学家完成了螺旋线回旋加速器的初步设计,由于经济困难,方案3年后被取消。1969年,科学家又提出了建造强流直线加速器用于探索、研究、生产核燃料的计划,可是计划在与另两个方案的争论中无疾而终……

1981年5月,中科院高能所在国内外专家学者的建议和意见的基础上,提出了第8个方案——建造束流能量为22亿电子伏的正负电子对撞机。1984年10月7日,邓小平同志为北京正负电子对撞机工程奠基铲下第一锹土。

为何是22亿电子伏?一般来说,不同类型和不同能量的高能加速器服务于不同目的的粒子物理实验,每台加速器一般只能在一定能区工作,进行特定的物理研究。尤其是对撞机,能量可调的范围很小,能量高的对撞机并不能代替能量低的对撞机。

之所以选择2×22亿电子伏正负电子对撞的能区,张闯解释,电子束的能量不同时,对撞产生的粒子也不同。1.55GeV的正负电子束对撞时,会产生J/Psi粒子(由粲夸克组成的一种粲粒子);1.78GeV的正负电子束对撞时,产生陶轻子(轻子的一种,电子也是一种轻子)。通过控制对撞的电子束流的能量,BEPC就可以研究这两种不同的粒子。这两种粒子是BEPC的主要研究对象,它们所在的能量区域属于陶—粲物理能区,是物理研究的富矿。

不仅如此,BEPC的投资较相同能区的质子加速器要小得多,还可以“一机两用”——高速运转的正负电子在轨道转弯时会发出同步辐射光,这种光具有强度大、高度准直等优点,可以用于开展多学科的应用研究。

事实证明,这一选择没有错。1992年,用于探测并记录正负电子对撞全过程的北京谱仪,精确测量出粒子物理标准模型中的τ轻子质量,修正了以前的实验结果,至今仍是世界上最为精确的测量之一。

2013年3月,该装置发现了一个新的共振结构Zc(3900),极有可能是科学家们长期寻找的“四夸克物质”。这一成果一经发布立即引发世界实验和理论物理研究热潮,入选美国《物理》杂志公布的2013年物理学领域十一项重要成果,并位列榜首。

牢牢抓住赶超机会

除了“高大上”的基础研究领域,BEPC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。在抗击非典的斗争中,一项关于药物与非典病毒分子相互作用的研究工作就是在BEPC上完成的:中国科学院院士饶子和利用同步辐射系统在世界上率先完成了SARS病毒蛋白质DNA结构的测定,首次获得了其蛋白酶大分子结构,得到了有效的药物靶分子,为研制治疗SARS病毒的药物提供了重要信息。

如今人们触手可及的互联网也与BEPC有着密不可分的联系。1986年我国建成第一条国际计算机通信线路,1993年建成第一根国际互联网专线,之后,建立中国第一个万维网(WWW)网站……这一切都和BEPC直接相关。

斗转星移,如今BEPC已走过了30个年头。在BEPC运行研究的陶—粲物理能区,曾经有个强劲的对手——美国康奈尔大学。但是,BEPC凭借优异的表现和升级改造打败了它,成为目前该能区世界唯一也是最先进的正负电子对撞机。

欣喜之余亦有隐忧。张闯说,在高能物理研究领域,只有第一没有第二,每个国家的加速器都有自己的实验能区,一旦同一个能区有了竞争者,最终只能有一个胜出。

未来,BEPC寿终正寝,中国高能物理何去何从?瞄准世界物理最前沿热点——希格斯玻色子粒子研究,规划建设更高能量的新一代对撞机环形正负电子对撞机(CEPC),这是中国高能物理学家们的新目标。中科院院士、中科院高能物理研究所所长王贻芳说,研究希格斯粒子,是通向更深层次物理的钥匙,正好给我国的高能物理发展提供了一个赶超、领先的绝佳机遇。一旦环形正负电子对撞机建成,中国将成为鸿运国际登录高能物理研究的中心,吸引全世界最优秀的一批科学家和工程师来华工作,并作为龙头带动一系列核心技术的发展,在核物理、国防、材料、微加工、大型部件检测等方面可以大量应用。

王贻芳透露,截至目前,新一代对撞机CEPC已完成概念设计并获国际评审认可,经费也基本到位,预研工作全面展开。

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