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北京正負電子對撞機﹕撞出粲物理領域三十年領先

來源﹕科技日報2019-05-22 09:32

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  天安門廣場向西約15公里﹐形似一隻羽毛球拍的北京正負電子對撞機大部分結構由北向南臥在地下﹐它由一臺長202米的直線加速器﹑一組共200米長的束流輸運線﹑一臺周長240米的儲存環加速器﹑一座高6米重700噸的大型探測器“北京譜儀”和14個同步輻射實驗站等組成。

  除了2004年至2008年進行的重大改造工程以及每年的檢修時間﹐在這個地下的龐然大物裡﹐正負電子幾乎一刻不停地對撞﹐產生各種粒子事例﹐由佈設在對撞區周圍的譜儀捕捉﹐再由科學家初選出事例﹑進行物理分析。

  進入中科院高能物理所44年﹐張闖幾乎參與了北京正負電子對撞機及其重大改造工程的全過程。“在世界上最權威的粒子數據表上﹐北京譜儀測量的數據超過1000項﹐每一項數據就是一項成果。可以說﹐粲物理領域的絕大多數精確測量都是北京譜儀合作組完成的。”張闖很驕傲﹐他和他的同行﹐見證了北京正負電子對撞機成就的粲物理領域30年領先。

  超高能研究必須對撞

  高能物理所研究員﹑北京譜儀III發言人苑長征介紹說﹐北京正負電子對撞機是一臺高能加速器﹐它提供的正負電子束流主要做兩件事﹕一是高能物理實驗﹐即北京譜儀實驗﹐產出了一系列重大成果﹔二是同步輻射應用研究﹐也就是利用對撞時產生的同步輻射光供諸多學科領域開展研究﹐每年有大約500多個實驗在這裡完成。

  張闖研究員展示了一張漫畫﹐兩隻小松鼠站在機器的兩頭﹐手中各拿著一個核桃﹐“把核桃往地上扔可能打不開﹐但讓兩個核桃高速對撞可能就能撞開。我們實際上就是要把粒子對撞打開﹐看裡面是什麼東西。速度越快﹑撞得越碎﹐越可能有所發現。”他用這個例子解釋了“為什麼要對撞”。

  “如果不對撞﹐而是用電子束打靜止靶﹐產生的有效的相互作用能量要小得多。1954年﹐著名的物理學家費米提出建造質心能量為3TeV的高能加速器﹐按當時的技術﹐採用打靜止靶的方案﹐需要加速器的半徑達到8000公里﹐比地球還要大﹔而歐洲強子對撞機的半徑祗有4.3公里﹐就達到了13TeV的質心能量﹐所以超高能研究一定要讓兩個束流進行對撞。”張闖說﹐但是束流對撞要求粒子多﹑截面積小﹑頻率高﹐才能獲得足夠高的對撞亮度﹐因此難度也大得多。

  “正負電子不斷對撞﹐科學家獲取分析對撞產生的大量事例﹐看其中是否可能有一些稀有現象﹐披沙揀金一般﹐各種新粒子都是這樣現身的。”張闖說。

  在億萬粒子中找不同

  在粲物理領域﹐絕大多數精確測量都是北京譜儀合作組完成的。

  這來源於北京正負電子對撞機的卓越性能。“1988年10月16日對撞成功﹐運行30多年。對撞機是經過幾代人的努力做出來的﹐我們這一代曾面臨康奈爾大學的挑戰﹐對方把能量降下來和我們競爭﹐一時間超過了我們﹐我們做了重大改造﹐在世界同類型裝置中繼續保持領先地位。”張闖說。2004年改造以前﹐對撞機以一對束團﹐每秒對撞約一百萬次﹐2008年完成改造後﹐它成為目前的雙環結構﹐約100個束團﹐每秒對撞約一億次﹐加上其他性能的提昇﹐亮度比改造前提高了100倍。

  在粒子物理領域存在三個研究前沿﹐分別是高能量前沿﹑高強度前沿﹑宇宙學前沿﹐北京正負電子對撞機處於高強度前沿﹐另外兩端分別有大型強子對撞機(LHC)﹑國際直線對撞機(ILC)﹑未來環形對撞機(CEPC和FCC)等和高山宇宙線﹑空間探測器﹑望遠鏡等。

  站在極廣大和極幽微的端點﹐物質結構研究尺度不同。張闖的講述中﹐在20世紀初﹐人類認識的世界小到10的-10次方米的原子﹐大到10的11次方米遠的行星。到1930年代﹐這個範圍擴大到原子核和恆星。到了2000年﹐依托大科學裝置﹐人類的視野深入到10的-18次方米的誇克﹑擴展到10的25次方米遠的浩瀚太空。對物質結構的探索是人類一步步走出洞穴的過程。

  令人驚喜的是﹐接受採訪時﹐苑長征表示最近有一個重要發現﹕北京譜儀Ⅲ合作組(BESⅢ合作組)發現正負電子對撞中蘭布達超子存在橫向極化﹐合作組利用2009年和2012年採集的13億粲偶素數據﹐選出了純度高﹑質量好的42萬事例﹐發現由此產生的蘭布達超子存在高達25%的橫向極化。這項成果剛在英國《自然‧物理》雜誌刊出。

  為牽頭大科學計劃樹立規範

  張闖打開電腦﹐進入對撞機的顯示頁面﹐屏幕上兩條曲線沿時間軸向前推移﹐一條代表正電子流強的紅線﹐一條代表負電子流強的藍線﹐高點約在600毫安﹐大概一小時後﹐兩條線勻速降至低點﹐約450毫安﹐這代表粒子數量越來越少﹐控制室的工作人員操作按鍵﹐注入正負電子﹐曲線抬頭﹐繼續每秒一億次的對撞。

  來自全世界14個國家﹑64所研究機構的400多名科學家﹐每天都可以在世界各地點開這個頁面﹐看到兩條曲線。

  “從1989年開始實驗起﹐就建立起北京譜儀合作組﹐這個合作組三十年來一直在一起做實驗﹐是很不容易的。”張闖說﹐這套由中國牽頭的國際重大科學裝置的合作規則﹐也是北京正負電子對撞機的寶貴經驗﹐為後來者做出示範。

  它將來會不會壽終正寢﹖張闖很坦然﹕我們的優勢還會保持十年以上﹐這十年要繼續做實驗﹐比如繼續研究輕強子譜和新強子態等﹐根據實驗結果﹐看是否需要進一步提高性能。

  近幾年﹐關於中國是否要建造環形正負電子對撞機(CEPC)的爭論持續進行。去年底﹐兩卷本的環形正負電子對撞機《CEPC概念設計報告》正式發佈。前幾天楊振寧在公開演講中重申反對建設的觀點﹐再次將爭論擺上臺面。

  “有爭論很正常。”張闖不假思索﹐“但科學研究會找到自己的方向﹐比如我們的對撞機繼續向前走﹐有需要可能再改造。如果暫時不能做高能量前沿﹐還可以做高強度前沿。如果因為經費或者技術原因不能做﹐可以等將來成熟了再做。”

  “但最好能盡快挺進高能量前沿。”他補充。較量不可避免﹐“除了歐洲的FCC﹐日本還可能要做ILC﹐國際上既有合作﹑也有競爭。當然﹐希望下一代最強對撞機依然在中國。”張闖笑說。(記者 崔 爽)

[ 責編﹕張佳興 ]
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