正负电子应用北京正负电子对撞机国家实验室探寻粒子的奇妙世界|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

北京正负电子对撞机国家实验室探寻粒子的奇妙世界

北京正负电子对撞机的正负电子输运线。（资料图片）

在高能物理研究领域，BEPC是陶—粲物理能区最先进的正负电子对撞机，实时观测基本粒子对撞产生的“碎片”，研究、探索粒子的性质和相互作用规律，发现新粒子。与此同时，这个大科学装置还在生物、材料、物理、化学、环境、能源等科学领域发挥着重要的作用

北京市玉泉路上，一片灰色低矮的楼房格外静谧，很难想象这里就是北京正负电子对撞机（BEPC）国家实验室。我国第一台大科学装置——北京正负电子对撞机坐落于中科院高能物理所，一年当中有10个月在高速运转，目标是寻找物质深层次的结构，发现新粒子，探索宇宙的奥秘。这是全世界物理学家共同的追求，谁能发现新物理、新现象和新粒子，谁便是最大的赢家。

大装置探索“小宇宙”

中科院高能物理所大装置管理中心工程师何培元告诉经济日报记者，因为正在执行一年一度的任务——利用对撞机产生的同步辐射光开展多学科的研究，此时位于地下的储存环隧道大门紧闭，操作人员在楼上的监控室内紧盯运行状态。

在科学家们看来，对物质结构认识的每一个重大突破都会对社会发展产生重大影响。而对撞机等加速器的问世，开创了粒子物理的新纪元。

随着科学技术的发展，人类对于物质结构的认知从分子、原子、原子核层次，逐步深入到更小的结构单元——轻子和夸克。已知的这些“基本”粒子是否是物质的最小单元，是否还有新粒子存在，它们的质量几何、有啥特性……揭开这些谜题，一方面需要能产生极高能量的加速器将这些微小粒子打碎，进一步研究其微观结构；另一方面，寻找新粒子的任务，也有赖于这一“抓捕”工具。

“超级粒子大炮”，是科学家们送给北京正负电子对撞机的外号，它由4个部分组成：电子注入器、储存环、大型粒子探测器北京谱仪、同步辐射装置，从沙盘上看，外形像一只硕大的羽毛球拍。

作为见证者，中科院高能物理所研究员张闯在这座地下迷宫已工作了30年。他告诉记者，球拍的直柄部分是注入器，在这里，电子枪发射的正负电子束流，经一台202米长的直线加速器被加速到1.1—1.89GeV(1GeV=10亿电子伏特）。球拍的圆形部分是储存环，这是一台周长为240米的环形加速器，它将正负电子束流加速到光速，并加以储存。球拍的顶端是对撞机的心脏部位——北京谱仪，在这里，正负电子束流按相反的方向以每秒125万圈的速度狂奔，并聚焦到大小只有头发丝十分之一左右的空间内对撞，巨型机器犹如几万只眼睛，实时观测基本粒子对撞产生的“碎片”——次级粒子，并记录相关数据。

对这些数据进一步分析、研究，探索这些粒子的性质和相互作用规律，便有可能观测到新现象和发现新粒子。

挖掘物理研究富矿

北京正负电子对撞机呱呱坠地的那个秋天，对于86岁的中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所原所长方守贤来说，仿佛还是昨天的事，“BEPC正式建成，从此，我国有了第一台大科学装置”。

在方守贤的记忆里，北京正负电子对撞机是在“七上七下”的挫折中诞生的。我国1958年就设计出20亿电子伏电子同步加速器，但在当时的形势下，这一设计因“保守落后”被否。1960年5月，科学家完成了螺旋线回旋加速器的初步设计，由于经济困难，方案3年后被取消。1969年，科学家又提出了建造强流直线加速器用于探索、研究、生产核燃料的计划，可是计划在与另两个方案的争论中无疾而终……

1981年5月，中科院高能所在国内外专家学者的建议和意见的基础上，提出了第8个方案——建造束流能量为22亿电子伏的正负电子对撞机。1984年10月7日，邓小平同志为北京正负电子对撞机工程奠基铲下第一锹土。

为何是22亿电子伏？一般来说，不同类型和不同能量的高能加速器服务于不同目的的粒子物理实验，每台加速器一般只能在一定能区工作，进行特定的物理研究。尤其是对撞机，能量可调的范围很小，能量高的对撞机并不能代替能量低的对撞机。

之所以选择2×22亿电子伏正负电子对撞的能区，张闯解释，电子束的能量不同时，对撞产生的粒子也不同。1.55GeV的正负电子束对撞时，会产生J/Psi粒子（由粲夸克组成的一种粲粒子）；1.78GeV的正负电子束对撞时，产生陶轻子（轻子的一种，电子也是一种轻子）。通过控制对撞的电子束流的能量，BEPC就可以研究这两种不同的粒子。这两种粒子是BEPC的主要研究对象，它们所在的能量区域属于陶—粲物理能区，是物理研究的富矿。

不仅如此，BEPC的投资较相同能区的质子加速器要小得多，还可以“一机两用”——高速运转的正负电子在轨道转弯时会发出同步辐射光，这种光具有强度大、高度准直等优点，可以用于开展多学科的应用研究。

事实证明，这一选择没有错。1992年，用于探测并记录正负电子对撞全过程的北京谱仪，精确测量出粒子物理标准模型中的τ轻子质量，修正了以前的实验结果，至今仍是世界上最为精确的测量之一。

2013年3月，该装置发现了一个新的共振结构Zc（3900），极有可能是科学家们长期寻找的“四夸克物质”。这一成果一经发布立即引发世界实验和理论物理研究热潮，入选美国《物理》杂志公布的2013年物理学领域十一项重要成果，并位列榜首。

牢牢抓住赶超机会

除了“高大上”的基础研究领域，BEPC还在生物、材料、物理、化学、环境、能源等科学领域发挥着重要的作用。在抗击非典的斗争中，一项关于药物与非典病毒分子相互作用的研究工作就是在BEPC上完成的：中国科学院院士饶子和利用同步辐射系统在世界上率先完成了SARS病毒蛋白质DNA结构的测定，首次获得了其蛋白酶大分子结构，得到了有效的药物靶分子，为研制治疗SARS病毒的药物提供了重要信息。

如今人们触手可及的互联网也与BEPC有着密不可分的联系。1986年我国建成第一条国际计算机通信线路，1993年建成第一根国际互联网专线，之后，建立中国第一个万维网（WWW）网站……这一切都和BEPC直接相关。

斗转星移，如今BEPC已走过了30个年头。在BEPC运行研究的陶—粲物理能区，曾经有个强劲的对手——美国康奈尔大学。但是，BEPC凭借优异的表现和升级改造打败了它，成为目前该能区世界唯一也是最先进的正负电子对撞机。

欣喜之余亦有隐忧。张闯说，在高能物理研究领域，只有第一没有第二，每个国家的加速器都有自己的实验能区，一旦同一个能区有了竞争者，最终只能有一个胜出。

未来，BEPC寿终正寝，中国高能物理何去何从？瞄准世界物理最前沿热点——希格斯玻色子粒子研究，规划建设更高能量的新一代对撞机环形正负电子对撞机（CEPC），这是中国高能物理学家们的新目标。中科院院士、中科院高能物理研究所所长王贻芳说，研究希格斯粒子，是通向更深层次物理的钥匙，正好给我国的高能物理发展提供了一个赶超、领先的绝佳机遇。一旦环形正负电子对撞机建成，中国将成为全球高能物理研究的中心，吸引全世界最优秀的一批科学家和工程师来华工作，并作为龙头带动一系列核心技术的发展，在核物理、国防、材料、微加工、大型部件检测等方面可以大量应用。

王贻芳透露，截至目前，新一代对撞机CEPC已完成概念设计并获国际评审认可，经费也基本到位，预研工作全面展开。（记者沈慧）

与正负电子对撞机一起过年叩击微观世界大门

在北京西郊地下，占地5.75万平方米的北京正负电子对撞机(BEPC)正在运行着。202米长的直线加速器通过两条输运线连接着周长240.4米的环型加速器，正负电子束会被加速到符合实验需求的能量，最终抵达最南侧的对撞点。

这里在进行的，是物理学最微观也最前沿的基础研究。正负电子对撞机是为基础粒子物理研究而建造的粒子加速器，粒子加速器不仅是进行高能物理、原子核物理、生命科学、材料科学等多种基础科学研究的重要实验装置，而且在工农业生产、医疗卫生、工业辐照、航天等领域，也有着广泛的应用前景。

2月2日凌晨，在北京正负电子对撞机的中控室里，一字排开的电脑屏幕上不断有数字跳动，展示着对撞机的运行情况。墙壁上的一排屏幕则分别可以看到不同系统的运行情况。

2时10分，一条原本在屏幕上规律波动的红线(正电子流强曲线)突然急转直下，落到了屏幕最下方。值班的工作人员立刻紧张起来，这意味着机器出现了故障。经过排查，工作人员发现加速器真空管道上第二区段两道真空阀门落了下来，阻断了从这里通过的正电子束。

幸好，故障没多久就自动排除，屏幕上，正电子束的曲线恢复了正常。

据中国科学院高能物理研究所加速器中心的研究人员尹頔解释，有时候，故障可以像这次这样自主排除，有时就需要技术人员干涉了。

“大装置里有很多次级系统，比如高频系统、低温系统、束测系统、电源系统，等等。大多时候都在稳定运行，偶尔会出现突发故障。每一个系统对对撞机来说都很重要，有时候是单独出现故障，有时候它们可能比较复杂，这就要依靠我们运行值班人员去判断。”尹頔对中青报·中青网记者说。

今年过年期间，尹頔也和前两年一样，陪着这台对撞机一起过年。独自住在员工宿舍的他还记得，每年过年，单位的员工餐里都会有饺子。

身为90后的魏彦茹，老家在河北，已经多年没能回老家，准备在今年的两次值班间隙，抽空回去两天，陪一陪自己70多岁的母亲。

“主要是因为故障有突发性，所以需要我们值班人员时刻关注，保持积极的状态。”尹頔说，“我们就是坚守在科研蜂巢里的‘工蜂’。”

同样作为一个90后，尹頔有时会用更活泼的方式，向别人解释自己工作的地方是干什么的：“就是那个在超级英雄电影里让闪电侠变成‘闪电侠’的地方。”朋友们也跟他开玩笑：“你会不会也变成‘闪电侠’？”

当尹頔看到这些超级英雄电影里实验装置出故障的剧情，他的第一反应是“太夸张了”“有BUG”，虽然现实当中没有出现过这样严重的故障，但是依然会思考如果自己在现场，该怎么处理，怎么排障。“看电影的时候，我更多会去想怎么能尽快恢复电影里这台机器的运行状态。甚至会想该如何预防，让这种故障不要出现。”尹頔说。

作为加速器中心的应急处理“On Call”(待命)人员，尹頔至今记得刚工作时，突然出现一个故障，“有点慌有点怕”，怕自己不知道怎么办，或者是判断得不对、不及时。

如今，这个33岁的年轻人已经算得上经验丰富，他略带自豪地告诉记者，其实，“我们的故障率，跟全世界的加速器对比下来，不是很高的”。

这台北京正负电子对撞机，由注入器、输运线、储存环、北京谱仪和同步辐射装置等多部分组成。它于1988年10月首次实现正负电子对撞，在2009年9月完成升级改造并正式投入运行，除用于高能物理实验外，可作为同步辐射光源提供真空紫外到硬X光，开展凝聚态物理、材料科学、生物和医学、环境科学、地矿资源，以及微细加工技术方面等交叉学科领域的应用研究，达到“一机两用”。

“每年都有大量的学术论文，基于这些装置而产生。”魏彦茹有些自豪地对记者说。

据了解，粒子加速器是一门多专业交叉融合的综合性学科，它涉及加速器物理和众多高精尖技术，其中包括微波、功率源、超导、低温、超高真空、精密机械、束流诊断、电源、磁铁、电子学、计算机及网络、自动控制、辐射防护等。

魏彦茹的专业正是物理，她告诉记者，如今这台正在运行的对撞机，在去年还当了一把“网红”，出现在了科幻电视剧《三体》中。剧中的物理学家杨冬背后，就是这台对撞机蓝色管道的一部分。

与科幻情节不同的是，现实中的正负电子对撞机并没有受到外星人的干扰，组成物质的最基本的粒子在这里一次又一次对撞，撞出新的实验数据。在这里，粒子物理和核物理的发展脚步不断向前，走向无人探寻过的未知领域。

“物理学就是告诉人们，有些问题是可以得到解答的。然后会发现更多不理解的事情，我们就在探索的路上一直前行。”尹頔说。

这个年轻人仍然记得，自己为什么会走到这条科研之路上来——为了好奇心。

作者：张渺

来源：中国青年报

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与正负电子对撞机一起过年叩击微观世界大门