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【科技日报】北京正负电子对撞机叩击微观世界大门
2015-12-28|文章来源:记者 王怡 |【
 

 图① 被称为北京正负电子对撞机“眼睛”的北京谱仪Ⅲ(BESⅢ)。图② 中科院高能物理所科研人员在安装完成的北京谱仪(BESⅢ)端面签名留念。图③ 改造后的北京正负电子对撞机(BEPCⅡ)的双储存环。

  ■走近中国大科学工程

  作为我国第一台大科学装置,中国科学院高能物理所的北京正负电子对撞机已经持续工作27年。这个坐落于北京长安街以西地下的大装置,一年当中有10个月都在高速运转,有超过400名高能物理学家在这里工作,而他们的目标是研究物质的微观结构,探索宇宙的奥秘。

  发现新粒子是世界物理学家们共同觊觎的目标。寻找新粒子的一个重要方法就是把粒子束流加速到接近光速的高能量并进行对撞,而这需要借助巨大的科学装置完成,它就是对撞机。

  “超级粒子大炮”是北京正负电子对撞机的一个形象比喻,它由四大部分组成,包括注入器、储存环、北京谱仪(BESⅢ)和北京同步辐射装置(BSRF)。历经风雨,这台我国最早的大科学装置如今依然在国际粒子物理研究领域处于不可或缺的位置。

  国家间科技力量的顶级比拼 

  高能物理在基础研究领域是一门探索物质的微观基本组元和它们之间相互作用规律的前沿学科。从宇宙的起源到生物物种的进化、天体的形成和演化等众多领域高能物理都起着十分重要的作用。记者在中科院高能物理所大厅见到悬挂在墙上的一行字:“中国必须在世界高科技领域占有一席之地——邓小平”。这是北京正负电子对撞机在1988年10月建成时,邓小平亲临视察时发表的著名讲话。

  中国科学院高能物理所研究员张闯已经围绕北京正负电子对撞机工作了30余年,他告诉科技日报记者:“寻找微观世界粒子结构的工作,已经不仅是世界顶尖物理学家的激烈竞争,而是国家之间在科技力量的顶级比拼。”

  从1990年开始运行到2005年,北京正负电子对撞机(BEPC)取得了一系列国际领先的研究成果。1992 年,北京谱仪τ轻子质量测量的精确结果纠正了过去τ轻子质量的实验偏差,把测量精度提高了7倍,验证了轻子普适性原理;1999年,对2—5GeV能区的强子截面进行了测量,将过去世界平均值的精度从15%—20%提高到6.6%,将Higgs的质量下限从61GeV改变到90GeV,解决了标准模型与实验结果的一个矛盾;2005年,发现的新型粒子X1835开辟了一个国际前沿研究热点领域,在多夸克态寻找和研究等方面作出重要贡献。

  北京正负电子对撞机(BEPC)第一任工程经理谢家麟院士曾表示,由于北京正负电子对撞机的建成和运行,为我国在国际高能物理研究前沿领域开展工作创造了条件,使我国在τ粲物理实验研究领域处于国际领先地位。“中国从此就进入了能够进行高能物理实验研究的科技先进国家之林。”

  北京正负电子对撞机在粲物理实验研究中取得的重大成就及其对国际高能物理发展的巨大影响,引起了国际高能物理界对粲物理的极大兴趣,物理学界十分重视这一能区的丰富物理“矿藏”。

  两次改造中的幕后故事 

  一个大科学装置建成以后,只有不断提高性能,才能保持国际领先地位。张闯告诉科技日报记者,在2001年国际粲物理实验研究的形势出现了很大的变化。中科院高能物理所的科学家们计划对北京正负电子对撞机(BEPC)进行改造,改造工程最初计划采用的是单环方案,使用麻花轨道实现多束团对撞,亮度提高30倍左右。

  2001年初,中科院高能物理所的科学家们带着改造方案去同美国的同行交流和论证,得知作为长期国际科研合作的美国康奈尔大学基本粒子物理实验室决定将其正负电子对撞机(CESR)从质心能量11GeV左右下调到3—5GeV(可称为CESRc),到粲物理研究领域与北京正负电子对撞机(BEPC)竞争,该对撞机计划在2003年底开始运行。

  在高能物理研究领域,每个国家的实验室都有自己的实验能区,一旦同一个区域有了竞争者,就只能有一个胜出。

  然而,这时中科院高能物理所的科学家们并不能确保新的北京正负电子对撞机(BEPCⅡ)的单环方案能在与CESRc的竞争中取得优势,这将有可能使我国高能物理实验领域失去在世界上已有的一席之地。

  “刚听到这个消息时,心里比那时美国的冬天还要凉。”张闯说,北京正负电子对撞机的改造设计是要大幅度提高对撞亮度,难度很大,而康奈尔大学的改造则是在一台高亮度的对撞机里向下调整工作能区,设计亮度同单环的BEPC改造方案相同,可以比较快地达到目标。

  时任高能物理所所长的陈和生给在纽约的华裔物理学家李政道打电话,说明了遇到的情况,李先生在电话中用一句“Life is interesting.”鼓励中国的科学家要把改造坚持下去。之后陈和生与张闯又去拜访了美国斯坦福直线加速器中心,那里的科学家也给了他们很多鼓励。“那时,我们觉得在挑战面前没有退路,这件事再难也要做下去。”张闯说。

  跨越奇迹的改造获得对手认可 

  面对严峻的竞争,科学家们决定对最初的方案进行调整,采用当时世界上最先进的双环交叉对撞技术对对撞机进行改造。原先正负电子共用一条“光速跑道”,改造后正负电子束流各占一条“跑道”,进行大水平角度对撞,在对撞后迅速分开,从而大大增加束团的数目,有望大幅度提高对撞的亮度。

  但要实现从单环到双环的改造难度超乎想象。由于改造是在原来的隧道安装双环,场地十分拥挤,十几吨的设备不能使用大吊车安装,数万根电缆一根都不能接错,而这些仅仅是改造工程千头万绪的几缕。

  储存环设备的“拆旧安新”工作,是工程关键和困难的一步。国际上成功的双环电子对撞机的周长一般在2公里以上,而北京正负电子对撞机储存环的周长只有240米,且隧道截面小、对撞区短。改造后的对撞机,要在240米周长的隧道内给正负电子束流各做一个储存环,还要保持“一机两用”,增加同步辐射插入件和引出口,难度和压力非常大。

  中科院高能物理所投入了最精干的科研力量,并集中了上百家国内制造厂家,对重要设备的关键技术进行攻关。在对撞机改造工程中许多设备的制作都属国内首创,如正电子源、超导磁铁、双孔径四极磁铁的制作、前室真空盒的研制加工、探测器主漂移室的精密加工、晶体量能器等,都是通过研究所和工厂通力合作完成的。

  改造后的北京正负电子对撞机(BEPCⅡ)在世界同类型装置中继续保持领先地位,成为国际上最先进的双环对撞机之一,也是该能区迄今为止亮度最高的对撞机。

  当BEPCⅡ第一次对撞取得成功后,中科院高能物理所收到了来自美国康奈尔大学CESR—c项目负责人之一赖斯教授的邮件,他在邮件中写道:“CESR—c将终止运行,我们期待来自BEPCⅡ的一系列重要的发现。”

  BEPCⅡ的建设和运行不仅推动了国内相关领域高技术的发展,还与国际先进技术相结合,实现了高水平的集成创新,自主研制的设备超过85%,形成了一系列高新技术储备,也为后续的大科学装置如大亚湾反应堆中微子实验、中国散裂中子源和加速器驱动次临界系统等奠定了技术和人才基础。

  BEPCⅡ建成后,实现了高亮度、高效率的运行,建立以我为主的BESⅢ国际合作组,由11个国家的50多所大学和研究机构(其中我国有29个单位)的近400名科学家组成,在轻强子谱的研究、粲偶素的衰变等方面取得多项重大物理成果,其中,发现四夸克态新粒子被美国《物理》杂志评选为2013年国际物理领域11项重要成果之首。

  与此同时,作为北京正负电子对撞机的寄生装置——同步辐射,可以提供从硬X射线到真空紫外光的宽波段同步辐射光,为凝聚态物理、材料科学、生物医学、软X光学、微电子及微机械技术等多学科应用研究提供了先进的实验手段。中国第一条生物大分子晶体学实验站于2003年建成并正式投入使用,获得了具有重要生物学意义的SARS冠状病毒蛋白酶大分子结构、揭示砒霜治疗急性早幼粒细胞性白血病的分子机理等重要成果。目前,北京同步辐射装置每年为100多个科研单位的500多个课题提供服务,成为向社会开放的多学科实验平台。

《科技日报》2015年12月25日 第01版

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