對撞讓新粒子現(xiàn)身 錘煉“大科學(xué)”精銳之師

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

關(guān)于中國是否應(yīng)該建設(shè)“下一代大型粒子對撞機”是近年來科技領(lǐng)域的爭論熱點之一。持贊成立場的有中科院院士、中科院高能物理研究所所長王貽芳，持反對立場的則有諾貝爾物理學(xué)獎得主。雙方在多個場合下分別闡明自己的立場和理由，爭論的影響也已超出學(xué)術(shù)界，進入公眾輿論層面。目前，這場爭論還在繼續(xù)，結(jié)論和有關(guān)部門的決策還需進一步等待和觀察。

上世紀(jì)七八十年代，中國經(jīng)過長期醞釀后，鄧小平親自決策，支持建設(shè)北京正負(fù)電子對撞機。它被認(rèn)為是中國科學(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。

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

天安門向西約15公里，形似羽毛球拍的北京正負(fù)電子對撞機大部分結(jié)構(gòu)由北向南臥于地下，它由一臺長202米的直線加速器、一組共200米長的束流輸運線、一臺周長240米的儲存環(huán)加速器、一座高6米重700噸的大型探測器“北京譜儀”和14個同步輻射實驗站等組成。

進入中科院高能物理所44年，張闖幾乎參與了北京正負(fù)電子對撞機及其重大改造工程全過程。“在世界上最權(quán)威的粒子數(shù)據(jù)表上，北京譜儀測量的數(shù)據(jù)超過1000項，每一項數(shù)據(jù)就是一項成果?？梢哉f，粲物理領(lǐng)域的絕大多數(shù)精確測量是由北京譜儀合作組完成的。”張闖很驕傲，他和同行，見證了北京正負(fù)電子對撞機所成就的在粲物理領(lǐng)域30年領(lǐng)先。

對撞讓新粒子現(xiàn)身

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

張闖研究員展示了一張漫畫，兩只小松鼠站在機器的兩頭，手中各拿著一個核桃，把核桃往地上扔可能打不開，但讓兩個核桃高速對撞可能就能撞開。我們實際上就是要把粒子對撞打開，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)。他用這個例子解釋了“為什么要對撞”。

“如果不對撞，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到8000公里，比地球半徑還要大。歐洲強子對撞機的半徑只有4.3公里，就達到了13TeV的質(zhì)心能量，所以超高能研究一定要讓兩個束流進行對撞。”張闖說，束流對撞要求粒子多、截面積小、頻率高，才能獲得足夠高的對撞亮度，因此難度也大得多。

“正負(fù)電子不斷對撞，科學(xué)家獲取分析對撞產(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。

在億萬粒子中找不同

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

這來源于北京正負(fù)電子對撞機的卓越性能。“1988年10月對撞成功，運行30多年。對撞機是經(jīng)過幾代人努力做出來的，我們這一代曾面臨康奈爾大學(xué)的挑戰(zhàn)，對方把能量降了下來，一時超過了我們。后來，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。2008年完成改造后，它成為雙環(huán)結(jié)構(gòu)，約100個束團，每秒對撞約一億次，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個研究前沿，分別是高能量前沿、高強度前沿、宇宙學(xué)前沿，北京正負(fù)電子對撞機處于高強度前沿，另外兩端分別有大型強子對撞機(LHC)、國際直線對撞機(ILC)、未來環(huán)形對撞機(CEPC和FCC)等和高山宇宙線、空間探測器、望遠(yuǎn)鏡等。

正負(fù)電子對撞機等大科學(xué)裝置拓展了人類宏觀微觀認(rèn)識尺度。20世紀(jì)初，人類認(rèn)識的世界小到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、擴展到10的25次方米遠(yuǎn)的浩瀚太空。

苑長征說，最近又有一個重要發(fā)現(xiàn)：北京譜儀Ⅲ合作組發(fā)現(xiàn)正負(fù)電子對撞中蘭布達超子存在橫向極化，合作組利用2009年和2012年采集的13億粲偶素數(shù)據(jù)，選出了純度高、質(zhì)量好的42萬事例，發(fā)現(xiàn)由此產(chǎn)生的蘭布達超子存在高達25%的橫向極化。這項成果剛在英國《自然·物理》雜志刊出。

優(yōu)勢還會保持10年

張闖打開電腦，進入對撞機的顯示頁面，屏幕上兩條曲線沿時間軸向前推移，一條代表正電子流強的紅線，一條代表負(fù)電子流強的藍(lán)線，高點約在600毫安，大概1小時后，兩條線勻速降至低點，約450毫安，這代表粒子數(shù)量越來越少，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)每秒一億次的對撞。

全世界14個國家、64個研究機構(gòu)的400多名科學(xué)家，每天都可以在世界各地點開這個頁面，看到兩條曲線。

“從1989年開始實驗起，就建立起北京譜儀合作組，合作組30年來一直在一起做實驗。”張闖說，這套由中國牽頭的國際重大科學(xué)裝置的合作規(guī)則，是北京正負(fù)電子對撞機的寶貴經(jīng)驗，為后來者做出示范。

它將來會不會壽終正寢?張闖很坦然：我們的優(yōu)勢還會保持10年以上，這期間要繼續(xù)做實驗，比如繼續(xù)研究輕強子譜和新強子態(tài)等，根據(jù)實驗結(jié)果，看是否需要進一步提高性能。

近幾年，關(guān)于中國是否要建造環(huán)形正負(fù)電子對撞機(CEPC)的爭論持續(xù)進行。去年底，兩卷本的環(huán)形正負(fù)電子對撞機《CEPC概念設(shè)計報告》正式發(fā)布。近日，反對建設(shè)的觀點再次被提出，爭論又一次擺上臺面。

“有爭論很正常。”張闖說，“但科學(xué)研究會找到自己的方向，比如，我們的對撞機繼續(xù)向前走，可能需要再改造。如果暫時不能做高能量前沿，還可以做高強度前沿。如果因為經(jīng)費或者技術(shù)原因不能做，可以等將來條件成熟了再做。”

“最好能盡快挺進高能量前沿。”張闖補充說。較量不可避免，“除了歐洲的FCC，日本還可能要做ILC，國際上既有合作、也有競爭。當(dāng)然，希望下一代最強對撞機依然在中國。”他笑著說。

關(guān)鍵詞： 對撞 新粒子現(xiàn)身