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        北京正負電子對撞機
        2023-06-19

        1988年10月16日凌晨5點56分,北京正負電子對撞機首次對撞成功,亮度達到了每平方厘米每秒1028。這是我國第一座高能加速器,是原子彈、氫彈爆炸成功,人造衛星上天之后的又一項偉大成就。

        原子有核嗎?

        加速器曾被形象地譽為“原子擊碎機”,是物理學家了解微觀物質的組成和運動規律的工具,它伴隨著核物理產生,到現在已經為人類服務了近百年。

        19世紀末,俄國科學家門捷列夫歸納了化學元素周期表,這在科學史上是一個重大發展。但是,物質元素之間為什么能夠呈周期性變化,當時的化學家并不能解釋。直到1911年,英國物理學家盧瑟福做了一個“金箔實驗”:他用放射性同位素產生的α粒子轟擊微小的金箔,發現絕大多數的α粒子都照直穿過薄金箔,只有少數α粒子發生角度比預想大得多的偏轉,于是他推斷原子有核,α粒子因為打中了原子核才發生偏轉。盡管原子核尺度很?。?0-15米,原子尺度約為10-10米)卻集中了整個原子的質量,在原子核之外,還有若干軌道分布著電子。而不同元素之間性質之所以不同,是由于構成原子的質子、中子和電子的數目存在差異,以及核外電子的分布不同所致。

        為什么需要加速器?

        盧瑟福的發現開啟了核物理時代,科學家開始廣泛使用釙和鐳產生的放射性同位素作為粒子源,并通過這種方法發現了質子。隨著研究的深入,很快天然的放射性元素就不能滿足核物理實驗的需要了。它們能夠轟擊的元素種類有限,加之能量很小,核反應的事例率(反映碰撞反應發生數量的概念)也極低。想要將研究深入擴大,就需要能量更高和束流更強的粒子束。這對使用人工方法產生高能粒子束提出了迫切要求。而人類每發現一種新粒子都意味著物理學面貌的煥然一新。在這種背景下,1932年,柯克羅夫特(J.D.Cock-roft)和沃爾頓(E.T.S.Walton)建成了世界上第一臺直流加速器。

        什么是正負電子對撞機?

        1932年,羅夫特和沃爾頓的直流加速器,是歷史上第一次用人工加速粒子實現的核反應,因此獲得了1951年的諾貝爾物理獎。截止到20世紀中期,科學家已發現了電子、質子、中子、光子和各種介子等,這些是當時的“基本粒子”,即人類所能探測的最小粒子。隨著人類對微觀世界的認知,利用普通加速器進行高能物理實驗暴露出新的問題。經加速的粒子轟擊一個靜止的靶子中的核子,其質心能量(加速粒子在轟擊或對撞時,產生的能量總和。)只能以加速能量平方根的倍數遞增。這種增長會隨著能量的增加變得越來越緩慢。但如果把靜止靶換成加速的粒子,讓兩束粒子高速對撞則能提供大得多的能量。

        1960年,陶歇克(B.Touschek)在一個學術報告會中首先提出“正負電子對撞機”的概念,在他的領導下,意大利夫拉斯卡第建成一個直徑大約1米、名為AdA的對撞機,成功地進行了驗證原理的實驗。許多理論物理學家開始對對撞機寄予厚望,希望通過它最大限度地將加速的粒子能量用于高能反應或獲得新粒子。

        中國自己的對撞機

        要開展高能物理研究,中國也要有自己的對撞機。

        1981年,經幾度籌劃、醞釀的北京正負電子對撞機(BEPC)在李政道等人的極力支持下立項,并將能區確定在最適合研究粲粒子(20世紀七十年代科學家在粒子加速器上發現的新粒子)的2.2~2.8GeV。這在當時還并不富裕的中國,是一個非常了不起的決定!

        建成的BEPC,坐落在位于北京石景山的高能物理所。形似一個網球拍,球把是一個200米長的直線加速器,球拍是一個周長約240米的儲存環,由電子槍產生的電子束在加速管中不斷加速,當電子束被加速到240MeV時,轟擊一個鎢轉換靶,產生正負電子對,將正電子收集起來加速。然后,把靶提起來,將負電子束流加速到與正電子相同的能量。接著,正負電子通過30米長的公用輸運段,然后被一塊分選磁鐵甄別,各奔一方,分別注入儲存環中沿相反方向作迥旋運動加速,以便接近光速,當正負電子分別被加速到需要的能量(最高2.8GeV),調整對撞點兩側的磁鐵強度,使正負電子的軌道在探測器中心迎頭對撞,這時安放在對撞點附近的北京譜儀開始工作,獲取對撞產生的信息,存入計算機以備分析。

        終于,在1988年,BEPC完工并成功實現對撞,成為世界上能區2.2~2.8 GeV范圍內亮度最高的對撞機。隨著加速器的推陳出新,物理學對基本粒子的定義也在發生變化。目前在粒子物理學中,標準模型理論認為的基本粒子可以分為重子、輕子、規范玻色子和希格斯粒子4大類。而BEPC通過實驗,曾精確測量τ輕子的質量,發現X1835新粒子,在國際高能物理界引起很大反響。

        2003年底,北京正負電子對撞機開始改造升級,2009年7月北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCII)通過國家驗收。BEPCII是一臺粲物理能區國際領先的對撞機,同時還是一臺高性能的兼用同步輻射裝置。主要開展粲物理研究,幫助我國保持在粲物理實驗研究的國際領先地位,在國際高能物理領域占據一席之地。

        同時,它又可作為同步輻射光源用于凝聚態物理、材料科學、生物和醫學、環境科學、地礦資源、以及微細加工技術方面等交叉學科領域的應用研究。

        文章由科普中國-星空計劃(創作培育)出品,轉載請注明來源。

        作者:朱新娜 科普作者,獨立圖書策劃人,北京優秀閱讀推廣人

        審核:周曉亮,北京交通大學物理學實驗室高級工程師


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