北京正负电子对撞机：撞出粲物理领域三十年领先

科技日报记者崔爽

*广场在西方大约15公里处。北京正负电子对撞机的大部分结构形状像羽毛球拍，从北到南位于地下。它由一台202米长的直线加速器、一条200米长的光束传输线、一台240米周长的储存环加速器、一台6米高的700吨大型探测器“北京谱仪”和14个同步辐射实验站组成。

除了2004年至2008年进行的重大改造项目和每年的大修时间外，在这个地下巨像中，正电子和正电子几乎连续碰撞，产生各种粒子实例，这些粒子实例被布置在碰撞区域周围的分光计捕获，然后由科学家初步选择用于物理分析。

进入中国科学院高能物理研究所44年来，张闯几乎参与了北京正负电子对撞机及其重大改造项目的全过程。“在世界上最权威的粒子数据表上，北京谱仪已经测量了1000多项数据，每一项数据都是一项成就。可以说，魅力物理领域的绝大多数精确测量都是由北京谱仪合作小组完成的。”张闯非常自豪。他和他的同事见证了北京正负电子对撞机在魅力物理领域30年的领先地位。

超高能研究必须碰撞

高能物理研究所研究员、北京谱仪三号发言人袁说，北京正负电子对撞机是高能加速器，它提供的正负电子束流主要做两件事。首先，高能物理实验——北京谱仪实验——产生了一系列重要结果。二是同步辐射的应用研究，即在碰撞过程中产生的同步辐射光被用于许多学科的研究，每年在这里完成约500个实验。

研究员张闯展示了一幅漫画，其中两只小松鼠站在机器的两端，每只手里都拿着一个核桃。“把核桃扔在地上可能打不开，但如果两个核桃高速碰撞，它们可能会打开。我们实际上要把粒子打碎，看看里面是什么。速度越快，坠机次数越多，找到东西的可能性就越大。”他用这个例子来解释“为什么你要碰撞”。

“如果你用电子束而不是碰撞击中静止的目标，有效的相互作用能量将会小得多。1954年，著名物理学家费米提出建造一个质心能量为3TeV的高能加速器。根据当时的技术，撞击静止目标的计划需要加速器的半径达到8000公里，这比地球还大。然而，欧洲强子对撞机的半径只有4.3公里，达到13电子伏的质心能量，所以超高能研究必须使两个光束碰撞。”然而，张闯说，为了获得足够高的碰撞亮度，光束碰撞需要大量的粒子、较小的横截面积和较高的频率，因此要困难得多。

“正电子和负电子一直在不断地相互碰撞，科学家们已经获得并分析了大量碰撞的例子，看看其中是否有一些罕见的现象。所有种类的新粒子都是这样出现的，就像在沙子中发现的一样。”张闯说。

寻找数十亿粒子的差异

在魅力物理领域，绝大多数精确测量都是由北京谱仪合作小组完成的。

这源于北京正负电子对撞机的卓越性能。“1988年10月16日，碰撞成功并运行了30多年。这台对撞机是经过几代人的努力建造的。我们这一代人面临着康奈尔大学的挑战。另一方减少了与我们竞争的能量。我们过了一会儿。我们已经做出了重大改变，并继续在世界类似设备领域保持领先地位。”张闯说。在2004年改造之前，对撞机每秒钟与一对粒子束相撞约一百万次。2008年改造后，它变成了现在的双环结构，大约有100束，每秒钟碰撞约1亿次。结合其他性能改进，亮度比转换前高100倍。

粒子物理学领域有三个研究前沿，即高能前沿、高强度前沿和宇宙学前沿。北京正负电子对撞机处于高强度前沿。另两端是大型强子对撞机(LHC)、国际线性对撞机(ILC)、未来环形对撞机(CEPC和联邦通信委员会)以及其他高山宇宙射线、空间探测器和望远镜。

站在极端大而微妙的端点，物质结构的研究尺度是不同的。在张闯的故事中，在20世纪初，人类所知的世界只有10 -10米的原子和10-11米的行星。到20世纪30年代，这个范围已经扩大到包括原子核和恒星。到2000年，依靠科学仪器，人类的视觉已经穿透了10 -18米的夸克，并扩展到10-25米的广阔空间。物质结构的探索是人类一步一步走出洞穴的过程。

令人惊讶的是，袁在一次采访中说，最近有一个重要发现:北京谱仪三号合作组(BES三号合作组)发现，在正电子碰撞中存在λ超子的横向极化。合作小组利用2009年和2012年收集的13亿个查姆鎓数据，选择了420，000个高纯度和高质量的样品，发现所得的λ超子具有高达25%的横向极化。这项成就刚刚发表在英国杂志《自然物理学》上。

为领导大规模科学项目制定规范

张闯打开电脑，进入对撞机的显示页面。屏幕上的两条曲线沿着时间轴向前移动。一个代表具有强正电子流的红线，另一个代表具有强负电子流的蓝线。最高点约为600毫安。大约一个小时后，两条线以恒定的速度下降到最低点，大约450毫安。这表明粒子的数量越来越少。控制室的工作人员操作按钮来注入正负电子。曲线向上看，每秒钟继续碰撞1亿次。

来自14个国家和64个研究机构的400多名科学家每天都可以点击这个页面看到两条曲线。

“自1989年实验开始以来，北京分光计合作小组已经成立。这个合作小组已经一起做实验30年了。这并不容易。”张闯表示，这套由中国牵头的国际重大科学设备合作规则，也是北京正负电子对撞机的宝贵经验，值得其他国家效仿。

它将来会死吗？张闯非常冷静:我们的优势将保持十多年。我们将在这十年里继续做实验，例如，继续研究轻强子光谱和新强子态等。根据实验结果，我们将看看是否需要进一步提高性能。

近年来，关于中国是否将建造环正电子对撞机(CEPC)的争论仍在继续。去年年底，两卷本的CEPC正负电子对撞机概念设计报告正式发布。几天前，杨振宁在一次公开演讲中重申了他对建筑的反对，并再次把辩论提到桌面上。

"争论是正常的。"张闯不假思索地说，“但是科学研究会找到自己的方向。例如，我们的对撞机将继续前进，可能需要重建。如果暂时不可能是高能锋，也有可能是高强度锋。如果出于财政或技术原因而无法实现，只有在未来时机成熟时才能实现。”

“但最好是尽快推进到高能前沿。”他补充道。竞争不可避免。“除了欧洲的联邦通信委员会，日本可能还得做国际劳工大会。世界上既有合作也有竞争。当然，我希望下一代最强的对撞机仍然在中国。”张闯笑着说。