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【专利资讯】“加速”中国科技——走近北京正负电子对撞机(BEPC)


                                            

                                                                                                                                           


从τ 质量(不是T,音tao)到中微子,再到暗物质探索,在这些可能连名字都不一定能叫得出来的高能领域,中国的物理学家们已经取得了各种举世瞩目的成就。而这一切的起点,是我国的第一台大科学装置——北京正负电子对撞机(BEPC)。今天,科技君就带大家走近它,认识它。

                                                                                       


在中科院,北京正负电子对撞机是“标杆”一样的存在。它是在邓小平、周恩来等党和国家领导人的亲自关怀下建成的中国第一个大科学装置,也几乎是此后历届党中央、国务院领导人来中科院视察的必到之处。


与此同时,北京正负电子对撞机是中国高能物理科学家心头的骄傲。建设于上世纪80年代的北京正负电子对撞机,论规模在国际上并不算大。然而,这么多年过去,尽管一个又一个大型加速器在全球拔地而起,它却始终屹立不倒,被誉为“世界八大高能加速器中心之一”,在国际高能物理领域占有重要的一席之地。


让我们把时间倒回至31年前,在北京八宝山东麓,我国第一台大科学装置——北京正负电子对撞机(BEPC)建成。它由长202米的直线加速器、输运线、周长240米的圆型加速器(也称储存环)、高6米重650吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成,外型像一只硕大的羽毛球拍。


                          ▲ 北京正负电子对撞机的储存环(供图 中国科学院高能物理所)


1988年10月16日,北京正负电子对撞机首次实现正负电子对撞,安装在加速器上的大型探测器——北京谱仪(BES)也观测到了粒子信号。以此为起点,中国的高能物理开启了新的征程。


“BEPC是一个伟大的开始,但不是终点。”中国科学院高能物理研究所所长王贻芳说。




到底什么是对撞机?

这个庞然大物是做什么用的?

科学家们用它都发现了些什么?


命途多舛的中国加速器


上个世纪50年代初,美、苏、欧等少数工业发达的国家和地区开始大力筹建高能加速器。虽然当时我国在高能物理领域与国际先进水平有很大差距,但仍希望有自己的加速器。1956年制定的《科学发展十二年远景规划》就提出“制造适当的高能加速器”的构想。然而从提出构想,到真正建设成北京正负电子对撞机,我国加速器的建成经历了颇为波折的命运。


“从一九五六年起,高能物理工作,五起五落……高能物理实验几乎一片空白,高能物理研究则全是依靠外国的实验数据……”1972年9月,由张文裕、朱洪元、谢家麟、何祚庥等18位科学家联名上书中央的信中写道。


七十年代末,我国的高能物理研究有了长足发展。随着“派出去,引进来”,我国与欧洲核子中心建立了频繁有序的科技交流,寻求到了部分技术和设备的支持;邓小平访美期间签署了中美两国在高能物理进行合作的协定;在李政道的大力撮合下,第一次中美高能物理联合委员会在北京召开。还有之前建成的预制研究基地、6个实验大厅以及10GeV质子直线加速器,为后面的研制打下了基础。


因为有过经费的困难,此时,我国物理学家提出,能否制造一个规模小、便宜,但同样能做出好的物理成果的加速器?


争议声中的建造


要了解到底建一个什么样的加速器,还有必要了解一下当时世界粒子物理学的发展状况。


到上世纪60年代,物理学家已经发现了100多种粒子,他们考虑能否把这些粒子像元素周期表一样归类。1962年,美国物理学家盖尔曼发明了一种方法,可以为这些粒子(强子)归类,并且通过这种方法又预言了一个新粒子Ω-超子。美国布鲁克海文国家实验室的交变梯度同步加速器(AGS)验证了他的预言。接下来,他进一步设想原子核内的质子,是由更基本的3种粒子——夸克组成。夸克模型的成功让盖尔曼获得了1969年诺贝尔奖。虽然夸克模型并不是描述这些粒子相互作用的完整理论,但为基础物理研究开启了新的一页。


1974年,在布鲁克海文实验室工作的丁肇中团队,利用质子打铍靶,发现了一个新粒子,他命名为J粒子。(图片来源:Dr. Tsai's blog)



几乎同时,里克特用斯坦福直线加速器(SLAC)也发现了这个粒子,他命名为Ψ,因此这个粒子被称为J/Ψ。后来实验证明,这个粒子是由一对正反粲夸克组成的束缚态。两人的发现在物理学史中被称为“十一月”革命,人类对粒子的基本结构又有了新的认识,而与粲夸克相关的问题,所谓粲物理还在等待科学家发现。


“当时在那个能区(粒子能量的区域)有很好的物理工作,但针对这一能区的加速器性能都不太好。”中国科学院高能物理研究所研究员张闯回忆说。


中科院在1981年提出建造一台2X2.2GeV的正负电子对撞机,目标产生更多J/Ψ粒子,让我国进入高能物理的前沿研究。选择这一能区建造加速器,是经过了当时国内专家与李政道、吴健雄、袁家骝以及美国加速器专家潘诺夫斯基等人多次深入、反复论证得出的结果,而北京正负电子对撞机的立项也经过漫长磨合的过程。


其实,从1980年年底高能所开始讨论加速器方案时就有很大分歧。比如,用质子还是电子?我国有一定制造质子加速器的经验,而且用质子打静止靶也会发现更多的粒子,有更好的物理意义。但无论是成本还是建设难度对当时我国情况提出了极大的挑战。


即使这个电子对撞的方案有众多优势,也仍然遭到了反对:连静止打靶加速器都没完全做出来,一步登天造对撞机,我们行吗?“物理窗口”(指粲物理领域需要深入研究的空白领域)在对撞机建成后还有吗?能否实现长期稳定运行,一机两用?


1983年4月,经国务院批准,北京正负电子对撞机(BEPC)方案上马,计划4年完成。12月,党中央、国务院将其列入国家重点工程项目,代号8312工程。


终于顺利运行


汇集全国力量,BEPC开工了。随着磁铁、高频机、调速管、调制器等高难度专用设备试制成功,所有人对其建成更有信心。但依然存在很多问题,能否按期完成?建成后能否达到预期目标?能否实现稳定运行?随着工程竣工,在1988年10月16日首次实现正负电子对撞,成功达到设计预期亮度(指对撞机主要性能)后,这些问题得到了完美的答案。北京正负电子对撞机成为J/Ψ粒子能区性能最好的加速器。


“我有个梦想,做中国自己的加速器”,39年前,张闯第一次出国,在费米国家实验室楼顶俯瞰6公里长的加速器,感慨中国什么时候有自己的高能加速器,这次他圆梦了。


无论是加速器建设,还是让它稳定运行,我国的科研工作者付出了常人难以想象的艰辛。他们白天用穿孔纸带计算数据,晚上值班担心突如其来的电话,由数十万组件集合而成的大科学装置,任何一个小元件的损坏故障都会使BEPC停运。BEPC最初有近30%的时间花费在设备维护上,经过3年的努力把故障率降到5%以下,平稳运行至今。


BEPC外型像一个巨大的羽毛球拍,球拍的“把”是一台长202米的正负电子直线加速器。电子枪发射出的电子在加速管中不断得到加速,一部分电子束再轰击钨靶后产生正负电子束,正负电子束通过输运线注入周长为240米的球拍“框”——储存环中,不断地积累、储存、加速、对撞。


                         2013年5月20日,北京科技周主场活动上,工作人员在给学生介绍电子对撞机模型


球拍的正顶部是对撞点,这里有一台探测器,是北京正负电子对撞机同时建造的大科学装置北京谱仪(BES),电子发生了什么会在这里检测出来。而在环线的切线方向,安放了同步辐射装置(BSRF),实验室能开展同步辐射相关的实验。北京正负电子对撞机,真正做到了“一机两用”。


电子对撞机可在微观尺度上还原宇宙大爆炸后的宇宙初期形态,帮助科学家研究宇宙起源并寻找新粒子


一用是粒子对撞,二用就是同步辐射。同步辐射就是带电粒子接近光速时,若在电磁场中偏转,就会沿切线方向发射出一种电磁辐射,像下雨天旋转雨伞,水滴会从伞的边缘飞射出去一样。这种电子的自发辐射,成为探究原子、分子水平世界的有力工具,在生命科学、材料科学、凝聚态物理、环境科学等领域发挥重要作用。



BEPC运行后

我们做出了自己特色的成果


上世纪九十年代初国内还没有互联网,北京正负电子对撞机工程进入了实验数据分析阶段,由于中美国际合作需要建立一条Internet专线来传输实验数据以及各种信息,就这样在高能所架设了第一台服务器,我国第一个WWW网站就此诞生。其实,这不过是大科学工程附带的好处之一。


一封潘诺夫斯基教授写给宋平常委和科学院院长的报告段落,建议中美之间架设一条新的高速电子数据网线(图片来自网络)


由于BEPC的建造成功,美国斯坦福电子直线加速器上的MARK3探测器停止运行,部分人员参加到中国的对撞机上工作,成立了北京谱仪合作组。


在BEPC运行之初,科学家就把能量放在了产生J/Ψ粒子的能区上,寻求更多的数据以便对这种粒子进行物理分析。90年代初,国际高能物理学界发现了新问题,实验测出的τ轻子质量与相关的理论不符。这是一个很大的理论挑战,如果实验测量正确,意味着公认的轻子普适性原理被破坏,可能出现新的物理理论。另一种可能则是实验测出的质量不准。


1992年,BEPC给出了τ轻子质量的精准测量,精度比原来提高了10倍,原来的结果有较大的偏差。标准模型并没有倒塌。更新了粒子物理学数据权威《粒子物理手册》(PDG),被认为是当年国际最好的粒子物理成果。


精准测量τ轻子质量(供图 中国科学院高能物理所)


张闯说:“τ轻子质量测量只是当时影响力最大的成果之一。”实际上在粲物理能区,对粲偶素、粲介子的研究如同打开了一座宝库,至今更新了PDG中的800余项数据。另一项影响力较大的是R值(强子产生截面,表征单位亮度的对撞机在单位时间产生粒子的概率)测量。减小R值测量误差的实验结果,对于寻找希格斯粒子(上帝粒子)有重要作用。得出的结果更新了希格斯粒子的质量下限,证实了当时国际最强的加速器都无法产生希格斯粒子。


BEPC并不是没有竞争对手,2000年美国康奈尔大学正负电子对撞机CESR降能至粲物理能区,并且提出了改造方案——要比BEPC设计亮度还要高的CESRc。中国最终接受挑战,提出重大改造升级BEPCII。建成后的BEPCII,亮度为CESRs的14倍以上,成为国际上最先进的双环对撞机之一,继续保持在粲物理领域国际领先的地位。同时北京谱仪改造成性能世界一流的探测器,BES III。


“我们期待来自BES III的一系列重要物理发现”,来自康奈尔的赖斯教授在发给高能所的贺信中说。升级后的第三代北京谱仪(BES III)发现了新的“四夸克物质”,在2013年美国《物理》杂志公布的十一项重要成果中位列第一。


同步辐射装置也硕果累累,目前每年接待100多个单位进行500余项试验。SARS病毒的主蛋白酶结构,以及与药物靶分子作用,就是在BSRF生物大分子站开展的,为抗击SARS病毒提供了重要信息。


揭秘SARS病毒结构(供图 中国科学院高能物理所)


砒霜治疗白血病的分子机制,也是在BSRF中的实验站观测得到。另外,古生物学家还利用北京同步辐射装置对一块琥珀进行了无损成像,得到了隐藏在琥珀中的恐龙尾部椎骨的高质量投影图像,进而构建出恐龙尾部的高清3D形态,凭借此技术,人类有史以来第一次在琥珀中发现恐龙化石……这些学术成果,正印证着我国科研从跟跑到并跑,到今天部分领域领跑的发展状况。


另外,不得不提的是,BEPC的建设对各种加速器、同步辐射装置起到了奠基作用,推动了我国工业发展。成都飞机工业集团承担BEPCII工程中北京谱仪III漂移室室体的研制,通过合作,成飞集团精密机械加工技术水平提高了10倍,促进了其自身产品的技术进步。


BEPC目前还没有做出诺贝尔奖级的工作,高能所前副所长李卫国研究员说:“我们做出实验,包括新发现的粒子,需要理论的配合,这方面难度很大。”李卫国承认,做出世界级成果很有难度,国际上的热点也在高能量区。BES,在粲能区有丰富的发现和潜力,想研究粲物理,就来BEPC。




中国的高能物理能发展到今天,与BEPC 的建设是分不开的。从高能物理实验的空白,到建成自己的高能物理实验基地,以优异的成果在国际高能物理研究领域占据一席之地;从学习、吸收国外先进技术,参照外国图纸设计、加工加速器部件,到大胆地采用既能实现高亮度双环交叉对撞技术又能兼顾同步辐射应用的创新方案,到提出国际领先的高能环形正负电子对撞机;从国际合作中的" 小学生",到组织以我为主的大型国际合作研究,在τ —粲物理和中微子领域居于国际领先地位......


回顾我国高能物理事业走过的艰辛曲折和令人欣喜的历程,回顾依托BEPC、BEPCⅡ所取得的令世界瞩目的重大成果,是为了从中得到启示,在未来继续努力。我们要继续推动环形对撞机及其他重大科技基础设施的研制和建造,为人类认识物质世界,为建设科技强国、实现中华民族的伟大复兴做出贡献。




【原文链接:走近北京正负电子对撞机(BEPC)

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