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北京正负电子对撞机
2023-06-19

1988年10月16日凌晨5点56分,北京正负电子对撞机首次对撞成功,亮度达到了每平方厘米每秒1028。这是我国第一座高能加速器,是原子弹、氢弹爆炸成功,人造卫星上天之后的又一项伟大成就。

原子有核吗?

加速器曾被形象地誉为“原子击碎机”,是物理学家了解微观物质的组成和运动规律的工具,它伴随着核物理产生,到现在已经为人类服务了近百年。

19世纪末,俄国科学家门捷列夫归纳了化学元素周期表,这在科学史上是一个重大发展。但是,物质元素之间为什么能够呈周期性变化,当时的化学家并不能解释。直到1911年,英国物理学家卢瑟福做了一个“金箔实验”:他用放射性同位素产生的α粒子轰击微小的金箔,发现绝大多数的α粒子都照直穿过薄金箔,只有少数α粒子发生角度比预想大得多的偏转,于是他推断原子有核,α粒子因为打中了原子核才发生偏转。尽管原子核尺度很小(10-15米,原子尺度约为10-10米)却集中了整个原子的质量,在原子核之外,还有若干轨道分布着电子。而不同元素之间性质之所以不同,是由于构成原子的质子、中子和电子的数目存在差异,以及核外电子的分布不同所致。

为什么需要加速器?

卢瑟福的发现开启了核物理时代,科学家开始广泛使用钋和镭产生的放射性同位素作为粒子源,并通过这种方法发现了质子。随着研究的深入,很快天然的放射性元素就不能满足核物理实验的需要了。它们能够轰击的元素种类有限,加之能量很小,核反应的事例率(反映碰撞反应发生数量的概念)也极低。想要将研究深入扩大,就需要能量更高和束流更强的粒子束。这对使用人工方法产生高能粒子束提出了迫切要求。而人类每发现一种新粒子都意味着物理学面貌的焕然一新。在这种背景下,1932年,柯克罗夫特(J.D.Cock-roft)和沃尔顿(E.T.S.Walton)建成了世界上第一台直流加速器。

什么是正负电子对撞机?

1932年,罗夫特和沃尔顿的直流加速器,是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应,因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。截止到20世纪中期,科学家已发现了电子、质子、中子、光子和各种介子等,这些是当时的“基本粒子”,即人类所能探测的最小粒子。随着人类对微观世界的认知,利用普通加速器进行高能物理实验暴露出新的问题。经加速的粒子轰击一个静止的靶子中的核子,其质心能量(加速粒子在轰击或对撞时,产生的能量总和。)只能以加速能量平方根的倍数递增。这种增长会随着能量的增加变得越来越缓慢。但如果把静止靶换成加速的粒子,让两束粒子高速对撞则能提供大得多的能量。

1960年,陶歇克(B.Touschek)在一个学术报告会中首先提出“正负电子对撞机”的概念,在他的领导下,意大利夫拉斯卡第建成一个直径大约1米、名为AdA的对撞机,成功地进行了验证原理的实验。许多理论物理学家开始对对撞机寄予厚望,希望通过它最大限度地将加速的粒子能量用于高能反应或获得新粒子。

中国自己的对撞机

要开展高能物理研究,中国也要有自己的对撞机。

1981年,经几度筹划、酝酿的北京正负电子对撞机(BEPC)在李政道等人的极力支持下立项,并将能区确定在最适合研究粲粒子(20世纪七十年代科学家在粒子加速器上发现的新粒子)的2.2~2.8GeV。这在当时还并不富裕的中国,是一个非常了不起的决定!

建成的BEPC,坐落在位于北京石景山的高能物理所。形似一个网球拍,球把是一个200米长的直线加速器,球拍是一个周长约240米的储存环,由电子枪产生的电子束在加速管中不断加速,当电子束被加速到240MeV时,轰击一个钨转换靶,产生正负电子对,将正电子收集起来加速。然后,把靶提起来,将负电子束流加速到与正电子相同的能量。接着,正负电子通过30米长的公用输运段,然后被一块分选磁铁甄别,各奔一方,分别注入储存环中沿相反方向作迥旋运动加速,以便接近光速,当正负电子分别被加速到需要的能量(最高2.8GeV),调整对撞点两侧的磁铁强度,使正负电子的轨道在探测器中心迎头对撞,这时安放在对撞点附近的北京谱仪开始工作,获取对撞产生的信息,存入计算机以备分析。

终于,在1988年,BEPC完工并成功实现对撞,成为世界上能区2.2~2.8 GeV范围内亮度最高的对撞机。随着加速器的推陈出新,物理学对基本粒子的定义也在发生变化。目前在粒子物理学中,标准模型理论认为的基本粒子可以分为重子、轻子、规范玻色子和希格斯粒子4大类。而BEPC通过实验,曾精确测量τ轻子的质量,发现X1835新粒子,在国际高能物理界引起很大反响。

2003年底,北京正负电子对撞机开始改造升级,2009年7月北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII)通过国家验收。BEPCII是一台粲物理能区国际领先的对撞机,同时还是一台高性能的兼用同步辐射装置。主要开展粲物理研究,帮助我国保持在粲物理实验研究的国际领先地位,在国际高能物理领域占据一席之地。

同时,它又可作为同步辐射光源用于凝聚态物理、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。

文章由科普中国-星空计划(创作培育)出品,转载请注明来源。

作者:朱新娜 科普作者,独立图书策划人,北京优秀阅读推广人

审核:周晓亮,北京交通大学物理学实验室高级工程师