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北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程中的譜儀機(jī)械系統(tǒng)。 　　百 度

關(guān)于中國(guó)是否應(yīng)該建設(shè)“下一代大型粒子對(duì)撞機(jī)”是近年來(lái)科技領(lǐng)域的爭(zhēng)論熱點(diǎn)之一。持贊成立場(chǎng)的有中科院院士、中科院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳，持反對(duì)立場(chǎng)的則有諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。雙方在多個(gè)場(chǎng)合下分別闡明自己的立場(chǎng)和理由，爭(zhēng)論的影響也已超出學(xué)術(shù)界，進(jìn)入公眾輿論層面。目前，這場(chǎng)爭(zhēng)論還在繼續(xù)，結(jié)論和有關(guān)部門的決策還需進(jìn)一步等待和觀察。

上世紀(jì)七八十年代，中國(guó)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期醞釀后，鄧小平親自決策，支持建設(shè)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。它被認(rèn)為是中國(guó)科學(xué)家繼原子彈、氫彈、人造衛(wèi)星、核潛艇之后取得的又一偉大成就。

讓我們一起走進(jìn)中科院高能物理研究所，近距離感受北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的風(fēng)采——

天安門向西約15公里，形似羽毛球拍的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)大部分結(jié)構(gòu)由北向南臥于地下，它由一臺(tái)長(zhǎng)202米的直線加速器、一組共200米長(zhǎng)的束流輸運(yùn)線、一臺(tái)周長(zhǎng)240米的儲(chǔ)存環(huán)加速器、一座高6米重700噸的大型探測(cè)器“北京譜儀”和14個(gè)同步輻射實(shí)驗(yàn)站等組成。

進(jìn)入中科院高能物理所44年，張闖幾乎參與了北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)及其重大改造工程全過(guò)程。“在世界上最權(quán)威的粒子數(shù)據(jù)表上，北京譜儀測(cè)量的數(shù)據(jù)超過(guò)1000項(xiàng)，每一項(xiàng)數(shù)據(jù)就是一項(xiàng)成果。可以說(shuō)，粲物理領(lǐng)域的絕大多數(shù)精確測(cè)量是由北京譜儀合作組完成的。”張闖很驕傲，他和同行，見(jiàn)證了北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)所成就的在粲物理領(lǐng)域30年領(lǐng)先。

對(duì)撞讓新粒子現(xiàn)身

高能物理所研究員、北京譜儀Ⅲ發(fā)言人苑長(zhǎng)征介紹說(shuō)，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)是一臺(tái)高能加速器，提供的正負(fù)電子束流主要做兩件事：一是高能物理實(shí)驗(yàn)，即北京譜儀實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)出了一系列重大成果;二是同步輻射應(yīng)用研究，利用對(duì)撞時(shí)產(chǎn)生的同步輻射光供多學(xué)科開(kāi)展研究，每年有大約500多個(gè)實(shí)驗(yàn)在此完成。

張闖研究員展示了一張漫畫，兩只小松鼠站在機(jī)器的兩頭，手中各拿著一個(gè)核桃，把核桃往地上扔可能打不開(kāi)，但讓兩個(gè)核桃高速對(duì)撞可能就能撞開(kāi)。我們實(shí)際上就是要把粒子對(duì)撞打開(kāi)，看里面是什么東西。速度越快、撞得越碎，越可能有所發(fā)現(xiàn)。他用這個(gè)例子解釋了“為什么要對(duì)撞”。

“如果不對(duì)撞，用電子束打靜止靶，產(chǎn)生的有效的相互作用能量要小得多。1954年，物理學(xué)家費(fèi)米提出建造一種高能加速器，采用打靜止靶的方案，需要加速器的半徑達(dá)到8000公里，比地球半徑還要大。歐洲強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的半徑只有4.3公里，就達(dá)到了13TeV的質(zhì)心能量，所以超高能研究一定要讓兩個(gè)束流進(jìn)行對(duì)撞。”張闖說(shuō)，束流對(duì)撞要求粒子多、截面積小、頻率高，才能獲得足夠高的對(duì)撞亮度，因此難度也大得多。

“正負(fù)電子不斷對(duì)撞，科學(xué)家獲取分析對(duì)撞產(chǎn)生的大量事例，看其中是否可能有一些稀有現(xiàn)象，披沙揀金一般，各種新粒子都是這樣現(xiàn)身的。”張闖說(shuō)。

在億萬(wàn)粒子中找不同

在粲物理領(lǐng)域，絕大多數(shù)精確測(cè)量是北京譜儀合作組完成的。

這來(lái)源于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的卓越性能。“1988年10月對(duì)撞成功，運(yùn)行30多年。對(duì)撞機(jī)是經(jīng)過(guò)幾代人努力做出來(lái)的，我們這一代曾面臨康奈爾大學(xué)的挑戰(zhàn)，對(duì)方把能量降了下來(lái)，一時(shí)超過(guò)了我們。后來(lái)，我們做了重大改造，在世界同類型裝置中繼續(xù)保持領(lǐng)先。”張闖說(shuō)。2008年完成改造后，它成為雙環(huán)結(jié)構(gòu)，約100個(gè)束團(tuán)，每秒對(duì)撞約一億次，加上其他性能提升，亮度比改造前提高了100倍。

在粒子物理領(lǐng)域存在3個(gè)研究前沿，分別是高能量前沿、高強(qiáng)度前沿、宇宙學(xué)前沿，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)處于高強(qiáng)度前沿，另外兩端分別有大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)、國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)(ILC)、未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)(CEPC和FCC)等和高山宇宙線、空間探測(cè)器、望遠(yuǎn)鏡等。

正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)等大科學(xué)裝置拓展了人類宏觀微觀認(rèn)識(shí)尺度。20世紀(jì)初，人類認(rèn)識(shí)的世界小到10的-10次方米的原子，大到10的11次方米遠(yuǎn)的行星。上世紀(jì)30年代，范圍擴(kuò)大到原子核和恒星。到了2000年，依托大科學(xué)裝置，人類的視野深入到10的-18次方米的夸克、擴(kuò)展到10的25次方米遠(yuǎn)的浩瀚太空。

苑長(zhǎng)征說(shuō)，最近又有一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：北京譜儀Ⅲ合作組發(fā)現(xiàn)正負(fù)電子對(duì)撞中蘭布達(dá)超子存在橫向極化，合作組利用2009年和2012年采集的13億粲偶素?cái)?shù)據(jù)，選出了純度高、質(zhì)量好的42萬(wàn)事例，發(fā)現(xiàn)由此產(chǎn)生的蘭布達(dá)超子存在高達(dá)25%的橫向極化。這項(xiàng)成果剛在英國(guó)《自然·物理》雜志刊出。

優(yōu)勢(shì)還會(huì)保持10年

張闖打開(kāi)電腦，進(jìn)入對(duì)撞機(jī)的顯示頁(yè)面，屏幕上兩條曲線沿時(shí)間軸向前推移，一條代表正電子流強(qiáng)的紅線，一條代表負(fù)電子流強(qiáng)的藍(lán)線，高點(diǎn)約在600毫安，大概1小時(shí)后，兩條線勻速降至低點(diǎn)，約450毫安，這代表粒子數(shù)量越來(lái)越少，控制室的工作人員操作按鍵，注入正負(fù)電子，曲線抬頭，繼續(xù)每秒一億次的對(duì)撞。

全世界14個(gè)國(guó)家、64個(gè)研究機(jī)構(gòu)的400多名科學(xué)家，每天都可以在世界各地點(diǎn)開(kāi)這個(gè)頁(yè)面，看到兩條曲線。

“從1989年開(kāi)始實(shí)驗(yàn)起，就建立起北京譜儀合作組，合作組30年來(lái)一直在一起做實(shí)驗(yàn)。”張闖說(shuō)，這套由中國(guó)牽頭的國(guó)際重大科學(xué)裝置的合作規(guī)則，是北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，為后來(lái)者做出示范。

它將來(lái)會(huì)不會(huì)壽終正寢?張闖很坦然：我們的優(yōu)勢(shì)還會(huì)保持10年以上，這期間要繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)，比如繼續(xù)研究輕強(qiáng)子譜和新強(qiáng)子態(tài)等，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，看是否需要進(jìn)一步提高性能。

近幾年，關(guān)于中國(guó)是否要建造環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(CEPC)的爭(zhēng)論持續(xù)進(jìn)行。去年底，兩卷本的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)《CEPC概念設(shè)計(jì)報(bào)告》正式發(fā)布。近日，反對(duì)建設(shè)的觀點(diǎn)再次被提出，爭(zhēng)論又一次擺上臺(tái)面。

“有爭(zhēng)論很正常。”張闖說(shuō)，“但科學(xué)研究會(huì)找到自己的方向，比如，我們的對(duì)撞機(jī)繼續(xù)向前走，可能需要再改造。如果暫時(shí)不能做高能量前沿，還可以做高強(qiáng)度前沿。如果因?yàn)榻?jīng)費(fèi)或者技術(shù)原因不能做，可以等將來(lái)?xiàng)l件成熟了再做。”

“最好能盡快挺進(jìn)高能量前沿。”張闖補(bǔ)充說(shuō)。較量不可避免，“除了歐洲的FCC，日本還可能要做ILC，國(guó)際上既有合作、也有競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)然，希望下一代最強(qiáng)對(duì)撞機(jī)依然在中國(guó)。”他笑著說(shuō)。