北京正负电子对撞机:30年物理领域的领跑者

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走向伟大的科学工程

在天安门广场以西约15公里处，北京正负电子对撞机从北到南位于地下，看起来像羽毛球拍。它由一台202米长的直线加速器、一组200米长的光束传输线、一台周长240米的储存环加速器、一台高6米、重700吨的大型探测器“北京谱仪”和14个同步辐射实验站组成。

除了2004年至2008年的重大改造项目和每年的大修时间之外，在这个地下庞然大物中，正负电子几乎一直在碰撞，产生各种粒子情况，这些粒子情况被布置在碰撞区域周围的分光计捕获，然后被科学家选择用于物理分析。

进入中国科学院高能物理研究所44年后，张闯几乎参与了北京正负电子对撞机及其重大改造项目的全过程。“在世界上最权威的粒子数据表上，北京谱仪测得的数据超过1000个，每一个数据都是一项成就。可以说，物理领域的绝大多数精确测量都是由北京分光计合作小组完成的。”张闯非常自豪。他和他的同事见证了北京正负电子对撞机30年来在物理学领域的领先地位。

超高能研究必须碰撞

高能物理研究所研究员、北京谱仪三号的发言人袁说，北京正负电子对撞机是高能加速器。它提供的正负电子束主要做两件事:一是高能物理实验，即北京谱仪实验产生了一系列重大成果；第二，同步辐射的应用研究，即碰撞过程中产生的同步辐射被用于许多学科的研究，这里每年完成约500个实验。

研究员张闯展示了一幅漫画，其中两只小松鼠站在机器的两端，每只手里都拿着一个核桃。“把核桃扔在地上可能打不开它，但如果两个核桃高速碰撞，它可能会打开它。我们实际上想打开粒子的碰撞，看看里面有什么。速度越快，破损越多，就越有可能被发现。”他用这个例子来解释“为什么你要碰撞”。

“如果你不碰撞，而是用电子束击中一个静态目标，有效的相互作用能量将会小得多。1954年，著名物理学家费米提出建造一个质心能量为3TeV的高能加速器。根据当时的技术，采用了击中静态目标的方案，要求加速器的半径达到8000公里，比地球还大；欧洲强子对撞机的半径只有4.3公里，达到了13电子伏的质心能量，因此超高能研究必须使两个粒子束碰撞。”然而，张闯说，光束碰撞需要许多粒子、小的横截面积和高的频率才能获得足够高的碰撞亮度，因此难度要大得多。

“正负电子不断碰撞。科学家们已经获得了大量由碰撞分析产生的例子，看看是否可能有一些罕见的现象。总的来说，各种新粒子都是这样出现的。”张闯说。

寻找数十亿粒子之间的差异

在物理领域，最精确的测量是由北京谱仪合作小组完成的。

这是由于北京正负电子对撞机的优异性能。“1988年10月16日的碰撞是成功的，并且已经持续了30多年。对撞机是经过几代人的努力制造出来的。我们这一代人面临着康奈尔大学的挑战。对方降低了与我们竞争的能量，一度超过了我们。我们进行了重大变革，并继续在世界同类设备中保持领先地位。”张闯说。在2004年改造之前，对撞机每秒钟与一对光束相撞约一百万次。经过2008年的改造，它变成了现在的双环结构，每秒钟大约有100束光束碰撞1亿次。随着其他性能的提高，亮度比改造前提高了100倍。

粒子物理领域有三个研究前沿，即高能前沿、高强度前沿和宇宙学前沿。北京正负电子对撞机位于高强度前沿，另外两端是大型强子对撞机(LHC)、国际线性对撞机(ILC)、未来环形对撞机(CEPC和联邦通信委员会)和阿尔卑斯宇宙射线，空探测器和望远镜。

站在极端和极端，物质结构的研究尺度是不同的。根据张闯的记载，在20世纪初，人类所知的世界只有10 -10次方米的原子，10-11次方米的行星。到20世纪30年代，这一范围扩大到原子核和恒星。2000年，依靠科学仪器，人类的视觉深入到10次方至-18次方的夸克中，并延伸到10次方至25次方空。物质结构的探索是人类一步一步走出洞穴的过程。

令人惊讶的是，袁在接受采访时表示，最近有一个重要发现:北京谱仪三合作组(BES三合作组)发现λ超子在电子-正电子碰撞中有横向极化。合作小组利用2009年和2012年收集的13亿二恶英数据，选择了42万个纯度高、质量好的案例，发现由此产生的λ超数具有高达25%的横向极化。这项成就刚刚发表在英国杂志《自然与物理》上。

建立领导大型科学项目的规范

张闯打开电脑，进入对撞机的显示页面。在屏幕上，两条曲线沿着时间轴向前移动，一条红线代表强正电子电流，另一条蓝线代表强负电子电流。最高点约为600毫安。大约一个小时后，两条线以恒定的速度下降到最低点，大约450毫安，这意味着粒子的数量越来越少。控制室的工作人员操作按钮来注入正负电子，曲线向上看，每秒钟继续碰撞一亿次。

来自全球14个国家的64个研究机构的400多名科学家每天都可以点击这个页面，看到两条曲线。

“自1989年实验开始以来，北京光谱仪合作小组已经成立。这个合作小组已经一起做了30年的实验，这并不容易。张闯表示，这套由中国牵头的国际重大科学设施合作规则也是北京正负电子对撞机的宝贵经验，将成为后来者的典范。

它将来会死吗？张闯非常冷静:我们的优势将保持十多年。在这十年里，我们将继续做实验，比如继续研究轻强子光谱和新的强子态。根据实验结果，我们将看看是否需要进一步提高我们的性能。

近年来，关于中国是否应该建造环形正负电子对撞机(CEPC)的争论一直在继续。去年底，两卷本的《环正负电子对撞机CEPC概念设计报告》正式发布。几天前，杨振宁在他的公开演讲中重申了他对建筑的反对，并再次把辩论提到了桌面上。

"争吵是正常的。"张闯不假思索地说:“但是科学研究会找到自己的方向。例如，我们的对撞机将继续前进，如果有必要，它可能会被重建。如果你暂时不能成为高能量前沿，你也可以成为高强度前沿。如果你因为经济或技术原因不能做到这一点，你可以等到将来成熟时再做。”

“但最好是尽快进入高能前沿。”他补充道。竞争不可避免。“除了在欧洲的联邦通信委员会，日本也可能做国际劳工大会。世界上既有合作也有竞争。当然，我希望下一代最强的对撞机仍然在中国。”张传晓说。(崔爽)

编者:张嘉诚

31561861，。北京正负电子对撞机:在物理领域领先30年。2019-05-22 15:29:23，. 204408，.张嘉诚