2012年
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【中国科学报】中国高能物理:正是丰收时
文章来源:中国科学报 丁佳  2012-10-30
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  石景山区玉泉路,只是北京再寻常不过的一条马路。路过这里的人大多并不知道,就在他们的脚下,一台规模宏大的机器正昼夜不停地工作着。

  这就是中国第一台高能粒子加速器——北京正负电子对撞机(BEPC)。

  《中国科学报》记者近日从中科院高能物理所获悉,北京正负电子对撞机/北京谱仪实验经过24年稳定运行、不断升级改造,数据样本量已达到世界最大。经初步分析,科研人员已发现了一些新的粒子。相关专家认为,中国高能物理已进入丰收季节。

  必争之地

  今年7月,当欧洲核子中心宣布发现疑似“上帝粒子”的新物质时,在欧亚大陆的另一端,中国北京的一群高能物理学家并未停下手中的工作。

  这些低调的科学家明白,尽管世界已进入快速消费时代,但科技力量的积累从来都是一场旷日持久的战役。

  统计数据显示,从1901年诺贝尔奖诞生之日起,一百多位诺贝尔物理学奖得主中有40多人的研究与高能物理有关。

  “作为物理学中获得诺贝尔奖最多的一个分支,高能物理在基础研究中的重要地位可见一斑。”中科院高能物理所研究员、北京谱仪实验国际合作组发言人沈肖雁告诉记者。

  高能物理不但研究构成物质世界的基本元素、物质间的相互作用规律、宇宙的起源与演化等“终极”科学谜题,它在精密机械、高真空、超导、快电子学、计算机和网络等先进技术中发挥的关键作用,更让这个学科在近几十年内迅速成为兵家必争之地,甚至在一定程度上“反映了国家科技的总体实力和地位”。

  沈肖雁此言不虚。20世纪50年代初,国外就已拥有了相当先进的高能粒子加速器,并取得了诸多令人瞩目的成就。

  中国物理学家也一直没有停止努力。从20世纪50年代后期开始,建设高能粒子加速器就开始筹划、酝酿。此后,几代科学家经过近30年努力,终于建成了属于自己的高能粒子加速器。1988年,BEPC成功实现首次对撞,中国高能粒子加速器技术达到国际同时期先进水平。

  石景山的“地下城”

  高能物理中,τ-粲能区是精确检验标准模型理论、寻找新物理的重要场所,因此成为国际高能物理竞争的热点之一。

  BEPC瞄准的正是这个方向。尤其是2009年完成重大改造后,其大型粒子探测器北京谱仪Ⅲ获取物理事例的能力有了极大提高。

  2001年,美国康奈尔大学的对撞机CESR开始在τ-粲能区运行,但2008年3月宣告结束;日本的超级B介子工厂2015年才能完成改造;德国PANDA实验预计2018年才可建成。

  BEPC的外形像一个巨大的羽毛球拍。“拍柄”是一个202米长的正负电子直线加速器,它将正、负电子束流加速后,注入到“拍头”——储存环中。储存环则将电子进一步加速到需要的能量,使其对撞,并对对撞后产生的次级粒子进行积累和储存。储存环上有南北两个对撞点,著名的大型探测器北京谱仪就位于南对撞点上。

  北京谱仪好比BEPC的“眼睛”,当正、负电子束发生对撞时,它就开始捕获对撞产生的次级粒子的信息。

  依托这套性能优异的大科学装置,目前北京谱仪实验国际合作组已拥有世界最大直接产生的J/psi、psi’、psi(3770)等数据样本。沈肖雁觉得,他们“已进入高能物理研究的丰收季节”。

  通过对数据的初步分析,实验组已发现或证实了一些新粒子和现象,比如一些多夸克新强子的候选者、粲偶素新的衰变模式等。

  “和‘上帝粒子’一样,这些新粒子也是标准模型理论预言的,但之前一个都未在实验上得到确认。只有在数据量足够大的前提下,找到这些物质的概率才会比较大。”沈肖雁说。

  国际水准 中国特色

  2010年至今,北京谱仪Ⅲ实验累计在《物理评论快报》等顶级学术期刊上发表论文30余篇,在国际重要学术会议上报告80余次,其中特邀大会报告40余个。

  亮度是实验成功的“秘密武器”。目前BEPCII是世界上在τ-粲能区具有最高亮度的实验装置,亮度达到了CESR的9倍。

  实验的另一大“中国特色”是建立了以我国为主的大型国际合作。以中科院高能所为基地,参与实验的来自全球11个国家和地区的52所大学和研究所近300名科学家中,约2/3是中国科学家。

  “国际合作组中还包括了来自发展中国家的科学家,比如巴基斯坦。”中国科学技术大学教授、北京谱仪实验国际合作组发言人赵政国对《中国科学报》记者说,“20世纪80年代我们刚开始做高能物理时,得到过许多国家的帮助。现在一些发展中国家也有发展高能物理的需求,但财力暂时达不到,我们要将他们吸纳进来,帮助其培养人才,掌握最先进的技术。”

  (原载于《中国科学报》 2012-10-30 A4 综合)


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