北京正負電子對撞機的正負電子輸運線。 (資料圖片)
在高能物理研究領域,BEPC是陶—粲物理能區(qū)最先進的正負電子對撞機,實時觀測基本粒子對撞產(chǎn)生的“碎片”,研究、探索粒子的性質(zhì)和相互作用規(guī)律,發(fā)現(xiàn)新粒子。與此同時,這個大科學裝置還在生物、材料、物理、化學、環(huán)境、能源等科學領域發(fā)揮著重要的作用
北京市玉泉路上,一片灰色低矮的樓房格外靜謐,很難想象這里就是北京正負電子對撞機(BEPC)國家實驗室。我國第一臺大科學裝置——北京正負電子對撞機坐落于中科院高能物理所,一年當中有10個月在高速運轉,目標是尋找物質(zhì)深層次的結構,發(fā)現(xiàn)新粒子,探索宇宙的奧秘。這是全世界物理學家共同的追求,誰能發(fā)現(xiàn)新物理、新現(xiàn)象和新粒子,誰便是最大的贏家。
大裝置探索“小宇宙”
中科院高能物理所大裝置管理中心工程師何培元告訴經(jīng)濟日報記者,因為正在執(zhí)行一年一度的任務——利用對撞機產(chǎn)生的同步輻射光開展多學科的研究,此時位于地下的儲存環(huán)隧道大門緊閉,操作人員在樓上的監(jiān)控室內(nèi)緊盯運行狀態(tài)。
在科學家們看來,對物質(zhì)結構認識的每一個重大突破都會對社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響。而對撞機等加速器的問世,開創(chuàng)了粒子物理的新紀元。
隨著科學技術的發(fā)展,人類對于物質(zhì)結構的認知從分子、原子、原子核層次,逐步深入到更小的結構單元——輕子和夸克。已知的這些“基本”粒子是否是物質(zhì)的最小單元,是否還有新粒子存在,它們的質(zhì)量幾何、有啥特性……揭開這些謎題,一方面需要能產(chǎn)生極高能量的加速器將這些微小粒子打碎,進一步研究其微觀結構;另一方面,尋找新粒子的任務,也有賴于這一“抓捕”工具。
“超級粒子大炮”,是科學家們送給北京正負電子對撞機的外號,它由4個部分組成:電子注入器、儲存環(huán)、大型粒子探測器北京譜儀、同步輻射裝置,從沙盤上看,外形像一只碩大的羽毛球拍。
作為見證者,中科院高能物理所研究員張闖在這座地下迷宮已工作了30年。他告訴記者,球拍的直柄部分是注入器,在這里,電子槍發(fā)射的正負電子束流,經(jīng)一臺202米長的直線加速器被加速到1.1—1.89GeV(1GeV=10億電子伏特)。球拍的圓形部分是儲存環(huán),這是一臺周長為240米的環(huán)形加速器,它將正負電子束流加速到光速,并加以儲存。球拍的頂端是對撞機的心臟部位——北京譜儀,在這里,正負電子束流按相反的方向以每秒125萬圈的速度狂奔,并聚焦到大小只有頭發(fā)絲十分之一左右的空間內(nèi)對撞,巨型機器猶如幾萬只眼睛,實時觀測基本粒子對撞產(chǎn)生的“碎片”——次級粒子,并記錄相關數(shù)據(jù)。
對這些數(shù)據(jù)進一步分析、研究,探索這些粒子的性質(zhì)和相互作用規(guī)律,便有可能觀測到新現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)新粒子。
挖掘物理研究富礦
北京正負電子對撞機呱呱墜地的那個秋天,對于86歲的中國科學院院士、中國科學院高能物理研究所原所長方守賢來說,仿佛還是昨天的事,“BEPC正式建成,從此,我國有了第一臺大科學裝置”。
在方守賢的記憶里,北京正負電子對撞機是在“七上七下”的挫折中誕生的。我國1958年就設計出20億電子伏電子同步加速器,但在當時的形勢下,這一設計因“保守落后”被否。1960年5月,科學家完成了螺旋線回旋加速器的初步設計,由于經(jīng)濟困難,方案3年后被取消。1969年,科學家又提出了建造強流直線加速器用于探索、研究、生產(chǎn)核燃料的計劃,可是計劃在與另兩個方案的爭論中無疾而終……
1981年5月,中科院高能所在國內(nèi)外專家學者的建議和意見的基礎上,提出了第8個方案——建造束流能量為22億電子伏的正負電子對撞機。1984年10月7日,鄧小平同志為北京正負電子對撞機工程奠基鏟下第一鍬土。
為何是22億電子伏?一般來說,不同類型和不同能量的高能加速器服務于不同目的的粒子物理實驗,每臺加速器一般只能在一定能區(qū)工作,進行特定的物理研究。尤其是對撞機,能量可調(diào)的范圍很小,能量高的對撞機并不能代替能量低的對撞機。
之所以選擇2×22億電子伏正負電子對撞的能區(qū),張闖解釋,電子束的能量不同時,對撞產(chǎn)生的粒子也不同。1.55GeV的正負電子束對撞時,會產(chǎn)生J/Psi粒子(由粲夸克組成的一種粲粒子);1.78GeV的正負電子束對撞時,產(chǎn)生陶輕子(輕子的一種,電子也是一種輕子)。通過控制對撞的電子束流的能量,BEPC就可以研究這兩種不同的粒子。這兩種粒子是BEPC的主要研究對象,它們所在的能量區(qū)域?qū)儆谔?mdash;粲物理能區(qū),是物理研究的富礦。
不僅如此,BEPC的投資較相同能區(qū)的質(zhì)子加速器要小得多,還可以“一機兩用”——高速運轉的正負電子在軌道轉彎時會發(fā)出同步輻射光,這種光具有強度大、高度準直等優(yōu)點,可以用于開展多學科的應用研究。
事實證明,這一選擇沒有錯。1992年,用于探測并記錄正負電子對撞全過程的北京譜儀,精確測量出粒子物理標準模型中的τ輕子質(zhì)量,修正了以前的實驗結果,至今仍是世界上最為精確的測量之一。
2013年3月,該裝置發(fā)現(xiàn)了一個新的共振結構Zc(3900),極有可能是科學家們長期尋找的“四夸克物質(zhì)”。這一成果一經(jīng)發(fā)布立即引發(fā)世界實驗和理論物理研究熱潮,入選美國《物理》雜志公布的2013年物理學領域十一項重要成果,并位列榜首。
牢牢抓住趕超機會
除了“高大上”的基礎研究領域,BEPC還在生物、材料、物理、化學、環(huán)境、能源等科學領域發(fā)揮著重要的作用。在抗擊非典的斗爭中,一項關于藥物與非典病毒分子相互作用的研究工作就是在BEPC上完成的:中國科學院院士饒子和利用同步輻射系統(tǒng)在世界上率先完成了SARS病毒蛋白質(zhì)DNA結構的測定,首次獲得了其蛋白酶大分子結構,得到了有效的藥物靶分子,為研制治療SARS病毒的藥物提供了重要信息。
如今人們觸手可及的互聯(lián)網(wǎng)也與BEPC有著密不可分的聯(lián)系。1986年我國建成第一條國際計算機通信線路,1993年建成第一根國際互聯(lián)網(wǎng)專線,之后,建立中國第一個萬維網(wǎng)(WWW)網(wǎng)站……這一切都和BEPC直接相關。
斗轉星移,如今BEPC已走過了30個年頭。在BEPC運行研究的陶—粲物理能區(qū),曾經(jīng)有個強勁的對手——美國康奈爾大學。但是,BEPC憑借優(yōu)異的表現(xiàn)和升級改造打敗了它,成為目前該能區(qū)世界唯一也是最先進的正負電子對撞機。
欣喜之余亦有隱憂。張闖說,在高能物理研究領域,只有第一沒有第二,每個國家的加速器都有自己的實驗能區(qū),一旦同一個能區(qū)有了競爭者,最終只能有一個勝出。
未來,BEPC壽終正寢,中國高能物理何去何從?瞄準世界物理最前沿熱點——希格斯玻色子粒子研究,規(guī)劃建設更高能量的新一代對撞機環(huán)形正負電子對撞機(CEPC),這是中國高能物理學家們的新目標。中科院院士、中科院高能物理研究所所長王貽芳說,研究希格斯粒子,是通向更深層次物理的鑰匙,正好給我國的高能物理發(fā)展提供了一個趕超、領先的絕佳機遇。一旦環(huán)形正負電子對撞機建成,中國將成為全球高能物理研究的中心,吸引全世界最優(yōu)秀的一批科學家和工程師來華工作,并作為龍頭帶動一系列核心技術的發(fā)展,在核物理、國防、材料、微加工、大型部件檢測等方面可以大量應用。
王貽芳透露,截至目前,新一代對撞機CEPC已完成概念設計并獲國際評審認可,經(jīng)費也基本到位,預研工作全面展開。