建成30年,北京正负电子对撞机到底撞出了什么?
科普中央厨房 | 北京科技报
2018-11-12
1988年10月16日,北京正负电子对撞机建成,至今已30年。经常被问到的“花这么多钱,搞这个有什么用?”,其实早已得到了答案。 |
文/记者 刘辛味 编辑/陈永杰
新媒体编辑/吕冰心
资料提供、文字审核/张闯(中国科学院高能物理所研究员)
缩写说明:
BEPC北京正负电子对撞机
BES北京谱仪
BSRF北京同步辐射装置
CESR康奈尔正负电子对撞机
▲北京正负电子对撞机的储存环(供图 中国科学院高能物理所)
1988年10月16日,在北京八宝山东麓,我国第一台大科学装置——北京正负电子对撞机实现正负电子对撞机建成。至今,已经整整30年。它由长202米的直线加速器、输运线、周长240米的圆型加速器(也称储存环)、高6米重500吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成,外型像一只硕大的羽毛球拍。
坐落在地下的庞然大物到底是做什么的?什么是对撞机,科学家用它发现了什么?也许你并不关心这些问题,但它的提出、建成、升级,代表着我国高能物理的一步步发展,更是对人类了解世界的组成做出了杰出贡献。
▲对撞机埋于地下 (供图 中国科学院高能物理所)
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缘起:对于高能的追求催生了加速与对撞
要理解对撞机,还需要简短地回顾一下历史。X射线,天然放射性和电子的发现被称为19/20世纪之交的三大物理学发现,意味着人类对微观物质的探索进入了新的里程碑,标志着现代物理学的诞生。尤其是电子的发现,让人们知道了原子有内部结构。
新里程探索的领路人,英国物理学家J.J.汤姆孙在对阴极射线的研究中发现了电子,为了解释原子是为什么是电中性的,提出了“葡萄干布丁”模型,带负电的电子像布丁中的葡萄干分布在原子内,而正电荷就均匀分布在原子内。
▲1897年,英国物理学家J.J.汤姆孙发现了电子,还让人们知道了原子有内部结构(图片来自网络)
很快,J.J.汤姆孙的学生卢瑟福进行了一次载入史册的实验,他把α粒子(带正电的粒子流)当成炮弹去轰击金箔,就像打固定靶,结果发现有α粒子被打飞了,甚至反弹回来——这个实验证明了原子内有带正电的原子核的存在。而使用粒子去撞击某种物质微粒的思想被科学家接受,碰撞展现了许多新物理现象。从发现新元素到更微观的粒子,人们对物质世界有了更深层的了解。
▲卢瑟福的实验证明了原子核的存在(图片来源:thestargarden.co.uk)
物理学家想要用α粒子和质子去轰击更多种类的原子核,就意识到需要让发射的粒子获得更高的能量,给粒子加速获得更高动能的加速器应用而生。
另一方面,科学家从宇宙射线中发现了各种亚原子粒子,验证了很多理论预言。要让这些粒子人工产生,也需要产生更高能量粒子的加速器。物理学家只能依靠粒子加速器在高能量下碰撞的条件下才能产生并研究那些微小的粒子。
从1932年第一台粒子加速器诞生,到50年代已经发明出了各种各样的加速器,能量越来越高。渐渐地,研究物质世界构成本源的工作演变成了高能物理,也就是粒子物理学。
▲对撞机模拟地球大爆炸图解(供图CFP)
对于高能的追求是无止境的,打静止靶满满不能满足对高能量的需求了。为了让有效的相互作用能量更强,科学家提出了环形对撞的方法,让粒子加速到接近光速使之对撞,用这种方法科学家又发现了更多的新粒子。
因此,对撞机成为了探索物质微观世界的强有力的工具。当然,并不是说直线加速器没有环形对撞机产生的能量高而被淘汰了,由于不同能量下有不同的物理现象,直线加速器依然在贡献自己的力量。
其实加速器距离我们生活并不远,比如发射粒子最基础的部分电子枪,是过去电视和显示器中的基本构件。而医院里的CT、医疗器械消毒,工业上的无损检测、焊接加工等都需要用加速器,只不过超大型的加速器、对撞机用来探索物质微观世界,其实就是一台超巨型显微镜。
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曲折:“七下八上”的中国加速器项目
上个世纪50年代初,美、苏、欧等少数工业发达的国家开始大力筹建高能加速器。虽然当时我国在高能物理领域与国际先进水平有很大差距,但仍希望有自己的加速器。1956年制定的《科学发展十二年远景规划》就提出“制造适当的高能加速器”的构想。然而从提出构想,到真正建设成北京正负电子对撞机,我国加速器人经历了“七下八上”的波折命运。
1957年初,国家就选拔派遣了一个七人小组到苏联列别捷夫物理研究所学习,经过一年努力,在苏联专家的帮助下完成了一个2GeV的电子同步加速器的物理设计。但在大跃进的形势下,这一设计被认为保守落后,把方案改成了15GeV的质子同步加速器。但当时苏联建造的加速器最高能量才7GeV,方案提出就遭到冷遇,只能在他们原有的7GeV加速器上进行一些修修补补的工作,来提高能量。这就遭到了我国研究人员的阻止,最终该方案被当时主管原子能工业的第三机械工业部副部长钱三强否决。
在苏联另一处核物理重镇杜布纳研究所的中国科学家王淦昌、朱洪元、周光召等建议我国建造一台适合国情的回旋加速器。在时任原子能所副所长力一的领导下,初步完成了建造420MeV强流回旋加速器的设计方案。但由于当时国内经济困难,该项目很快名存实亡,1963年被取消。唯一的成果是留下一些关于回旋加速器的理论研究。
接着,1965年我国高能物理研究先驱张文裕提出了一个3.2GeV(后改为6GeV)质子同步加速器,除了理论上的研究,还进行了选址,结果又因为“文革”的风浪所摧折。1969年,为响应我国国防建设服务又提出了能量约为1GeV的强流直线加速器,用于探索研究产生核燃料,同时研究队伍内部又提出两个其他的方案,在争论中所有方案都无疾而终。
▲周总理回信 (供图 中国科学院高能物理所)
“从一九五六年起,高能物理工作,五起五落……高能物理实验几乎一片空白,高能物理研究则全是依靠外国的实验数据……”1972年9月,由张文裕、朱洪元、谢家麟、何祚庥等18位科学家联名上书中央的信中写道。
9月11日,周恩来总理回信,“这件事不能再迟了。”这件事指的就是高能物理和加速器的研究。1973年,在中科院推动下,高能物理研究所成立,提出建立能量为40GeV的质子环形加速器。经过国务院批准“七五三”工程,这次真的要“真刀战枪”上阵了,从全国调集人马组建队伍,开始了关键设备的预制研究,却因为“四人帮”的破坏,计划再度搁浅。
文革结束,第七次高能加速器上马,提出了一个非常激进的计划“八七工程”,而且被中央批准——要在1987年底建成一个规模能与欧洲核子中心相比拟的高能物理实验基地,第一步投资3亿元,第二步投资7亿元建成400GeV的质子同步加速器。
这个希望很快就因为1980年国民经济调整而再次下马,当时总设计师谢家麟回忆,“‘八七工程’是在相信有‘十个大庆油田’,经费不成问题的基础上提出的,科学上并未经过慎重论证。”
但“八七工程”还是为我国加速器人留下了很多宝贵的财富。比如“派出去,引进来”,与欧洲核子中心建立了频繁有序的科技交流,寻求到了部分技术和设备的支持;邓小平访美期间签署了中美两国在高能物理进行合作的协定,在李政道的大力撮合下,第一次中美高能物理联合委员会在北京召开……被派出去的学者被称为“李政道学者”。
与之前的纸上谈兵相比,“八七工程”真正为后来的北京正负电子对撞机打下了基础。建立起了预制研究基地,6个实验大厅,1个先进工厂,真正地建造了加速器中的各类组件,并成功建造一台10GeV质子直线加速器。
不得不说,我国加速器的发展,经历了重重困难,有经济因素,有政治因素。但是,无论从对高能物理的探索还是当时建立的中外合作背景,都让加速器人坚持了下来。在邓小平坚持下,中央批准“原则上不下马”,为我国高能物理留下了火种,“八七工程”预制研究中余下经费9000万元得以保留。
那么,当时我国的物理学家就提出,能否制造一个规模小,但同样能做出好物理成果的加速器?
▲1989年的纪念邮票(来源:科技日报)
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上马:抓住粒子物理学留给中国的研究窗口
要了解到底建一个什么样的加速器,还有必要了解一下当时的世界上粒子物理学的发展。
到上世纪60年代时,物理学家已经发现了100多种粒子,能否把这些粒子像元素周期表一样归类?1962年,盖尔曼发明了一种方法,可以为这些粒子(强子)归类,并且通过这种方法又预言了一个新粒子Ω-超子。布鲁克海文国家实验室的交变梯度同步加速器(AGS)验证了他的预言。接下来他进一步设想原子核内的质子,是由更基本的3种粒子——夸克(上u,下d,奇异s)组成。夸克模型的成功让盖尔曼获得了1969年诺贝尔奖,但夸克模型并不是描述这些粒子相互作用的完整理论。
同时代,物理学家在弱相互作用理论(描述轻子)上也获得了巨大的成功,但当把这种理论推广到强相互作用时(描述强子)发生了困难,轻子与强子存在对称性,这意味着理论中还存在一种夸克。1970年格拉肖、伊利普洛斯(J. Iliopoulos)等人引入了一个新夸克,名为粲夸克(Charm quark)。
1974年,在布鲁克海文实验室工作的丁肇中团队,利用质子打铍靶,发现了一个新粒子,他命名为J粒子。几乎同时,里克特(B.Richter)斯坦福直线加速器(SLAC)也发现了这个粒子,他命名为Ψ,因此这个粒子被称为J/Ψ。后来实验证明,这个粒子是由一对正反粲夸克组成的束缚态。两人的发现在物理学史中被称为“十一月”革命,人类对粒子的基本结构又有了新的认识,而与粲夸克相关的问题,所谓粲物理还等待科学家发现。
▲丁肇中团队发现J粒子(来源:Dr. Tsai's blog)
“当时在那个能区有很好的物理工作,但当时针对这一能区的加速器性能都不太好”,高能所研究员张闯回忆说。在粒子物理学蓬勃发展的20世纪下半叶,还有一个物理窗口(指粲物理领域需要深入研究的空白领域)留给了中国。
中科院在1981年提出建造一台2X2.2GeV的正负电子对撞机,选择这个能区建造加速器,经过了当时国内专家与李政道,吴健雄、袁家骝以及美国加速器专家潘诺夫斯基等人多次深入、反复论证得出的结果。而真正北京正负电子对撞机的立项也经过漫长磨合的过程,甚至还受到了中美政治因素影响。
其实,从1980年底高能所开始讨论加速器方案时就有很大分歧。比如,用质子还是电子?在“八七”工程的储备中,我国有一定制造质子加速器的经验,而且用质子打静止靶也会发现更多的粒子,有更好的物理意义。但无论是成本,建设难度对当时我国情况提出了极大的挑战。
▲1984年李政道陪同邓小平视察中科院高能所的北京正负电子对撞机基地(来源:现代物理知识杂志)
当李政道得知我国加速器方案发生了变动后,很快组织讨论国内外专家讨论,在费米国家实验室进行的非正式商谈中,潘诺夫斯基提出了2X2.2GeV正负电子对撞的方案,强调了对撞机能在粲物理前沿领域做出重要成果,而且可以加装同步辐射装置,更重要的是成本相对低廉,与当时汇率相比恰好为9000万元。
即使这个方案有众多优势,也仍然遭到了反对:连静止打把加速器都没完全做出来,一步顶天制造对撞机,风险太大,我们行吗?“物理窗口”在对撞机建成后还有吗?能否实现长期稳定运行,一机两用?
从物理意义上讲,建造一个亮度更高(对撞机主要性能)——能产生更多J/Ψ粒子的加速器,让我国进入高能物理前沿是我们的目标。而从工程意义上讲,利用我国集中力量办大事的优势,经费允许还是有建成的可能。在争议声中,1983年4月,经国务院批准北京正负电子对撞机(BEPC)方案上马,计划4年完成。12月,党中央、国务院将其列入国家重点工程项目,代号8312工程。
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建成:克服科学理想与工程实际的冲突
汇集全国力量,BEPC开工了。随着磁铁、高频机、调速管、调制器等高难度专用设备试制成功后,所有人对建成更有信心。但依然存在很多问题,能否按期完成?建成后能否达到预期目标?能否实现稳定运行?随着工程竣工,在1988年10月16日的首次实现正负电子对撞,成功达到设计预期亮度后,这些问题得到了完美的答案。北京正负电子对撞机成为J/Ψ粒子能区性能最好的加速器。
“我有个梦想,做中国自己的加速器”,这次他圆梦了。39年前,张闯第一次出国到费米国家实验室楼顶,俯瞰6公里长的加速器,感慨中国什么时候有自己的高能加速器。曾在清华物理工程系学习加速器的他,因为“文革”到矿井挖煤,甚至已经不敢想象自己还能回到加速器工作。
无论是加速器建设,还是稳定运行,为了中国自己的加速器,他们付出了常人难以想象的艰辛。科学理想与工程实际的冲突,白天用穿孔纸带计算数据,晚上值班担心突如其来的电话,由数十万组件集合而成的大科学装置,任何一个小元件的损坏故障都会使BEPC停运。BEPC最初有近30%的时间是设备故障维护。经过3年的努力把故障率降到5%,平稳运行至今。
BEPC像一个巨大的羽毛球拍,球拍的“把”是一台长202米的正负电子直线加速器。电子枪发射出的电子在加速管中不断得到加速,一部分电子束再轰击钨靶后产生了正电子束,正负电子束通过输运线注入周长为240米的球拍“框”——储存环中,不断地积累、储存、加速、对撞。在球拍的正顶部,对撞点上是探测器。和北京正负电子对撞机同时建造的大科学装置北京谱仪(BES),真正电子发生了什么会在这里检测出来。而在环线的切线方向,安放了同步辐射装置(BSRF),这里的实验室能开展同步辐射相关的实验。北京正负电子对撞机,真正做到了“一机两用”。
▲北京谱仪III里面各种探测器来观察粒子对撞后的物理现象(图片来源:中国科学院高能物理所)
一用是粒子对撞,二用就是同步辐射。同步辐射就是带电粒子接近光速时,若在电磁场中偏转,就会沿切线方向发射出一种电磁辐射,像下雨天旋转雨伞,水滴会从伞的边缘飞射出去一样。这种从电子的自发辐射,或者说这种强度高、频谱覆盖广的光,成为探究原子、分子水平世界的有利工具。在生命科学、材料科学、凝聚态物理、环境科学等领域发挥重要作用,无论是基础研究还是应用研究,甚至高技术开发都有不可替代的作用。
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应用:成就中国互联网开通 推动工业发展
BEPC运行后,获得了哪些成果?或许离我们生活最近的应用就是我国的互联网。正如互联网诞生于欧洲核子中心,就是为了传输数据。而90年代初,中美需要一条Internet专线来传输BEPC的数据和信息,就这样在高能所架设了第一台服务器,建立了第一个www网页,发出了第一封电子邮件。其实,这不过是大科学工程附带的好处。
▲一封潘诺夫斯基教授写给宋平常委和科学院院长的报告段落(图片来自网络)
在运行之初,我们的科学家就把能量放在了产生J/Ψ粒子的能区上,寻求更多的数据以便对这种粒子进行物理分析。当时已经成为了采集数据量最大的加速器。90年代初,国际高能物理学界发现了新问题,测出的τ轻子质量与理论不符。这是一个很大的理论挑战,如果实验测量正确,意味着公认的轻子普适性原理被破坏,可能出现新的物理理论。另一种可能则是实验测出的质量不准。
1992年,BEPC给出了τ轻子质量的精准测量,精度比原来提高了10倍。标准模型并没有倒塌,而是更新了粒子物理学数据权威《粒子物理手册》(PDG),被认为是当年国际最好的粒子物理成果。
▲精准测量τ轻子质量(来源:IHEP)
张闯说:”τ轻子质量测量只是当时影响力最大的成果之一。”实际上在粲物理能区,对粲偶素、粲介子的研究如同打开了一座宝库,至今更新了PDG中的800余项数据。另一些影响力较大是R值测量。减小R值(强子产生截面,单位时间产生粒子的概率)测量误差的实验结果,对于寻找黑格斯粒子(上帝粒子)有重要作用。得出的结果更新了黑格斯粒子的质量,意味着当时国际最强的加速器都无法产生黑格斯粒子。
BEPC并不是没有竞争对手,2000年美国康奈尔大学正负电子对撞机CESR降能至粲物理能区,并且提出了改造方案,要比BEPC设计亮度还要高的CESRc。我们最终接受挑战,提出进行重大改造升级BEPC II(此前就已经提出升级,但因为CERS的压力继续提高设计指标,提出双环对撞设计)。最终,当我们的BPCPII建成,亮度为CESRs的12倍以上,成为国际上最先进的双环对撞机之一,继续保持在粲物理领域国际领先的地位。
▲BEPCII 经过改造成为双环对撞机(来源:IHEP)
“CLEO-c将终止运行,我们期待来自BES III的一系列中重要物理发现”,来自康奈尔的D.Rice致信给高能所说。升级后的第三代北京谱仪(BES III)发现了新的“四夸克物质”,是2013年美国《物理》杂志公布的十一项重要成果中第一。
同步辐射装置也硕果累累,目前每年接待100多个单位进行500余项试验。SARS病毒的主蛋白酶结构,就是在BSRF生物大分子站观测得到,继续又寻找药物把分子,为抗击SARS病毒提供了重要信息。
▲揭秘SARS病毒结构(供图 中国科学院高能物理所)
砒霜治疗白血病的分子机制,也是在BSRF中的实验站观测得到。前年,首个被发现恐龙琥珀化石,通过同步辐射硬X射线相位衬度CT等详细研究了恐龙化石……那些晦涩难懂的学术成果,正印证着我国科研从跟跑到并跑,到今天部分领域领跑的发展状况。
30年来,北京正负电子对撞机及其重大改造工程获得国家自然科学二等奖和科技进步二等奖以上奖项共7项,包括北京正负电子对撞机荣获1990年国家科技进步特等奖,北京正负电子对撞机重大改造工程荣获2016年国家科技进步一等奖。
BEPC目前还没有做出对诺贝尔奖级的工作,高能所前副所长李卫国研究员说:“我们做出实验,包括新发现的粒子,而且需要理论的配合,这方面难度很大。”李卫国承认,做出世界关注的成果很有难度,国际上的热点也在高能级,虽然没有创造出大家关注的成果,但仍有丰富的发现——想研究粲物理,就来BEPC。
另外,不得不提的是,BEPC的建设对各种加速器、同步辐射装置起到了奠基作用,推动了我国工业发展。成都飞机工业公司为北京谱仪加工高精度的漂移室,高精度要求为它们研制高性能飞机起到了很大帮助。对工业消毒用辐照加速器、监测海运集装箱的工业CT、磁性金属除杂的超导除铁器、加速器驱动的核废料嬗变系统等等。
▲2013年5月20日,北京科技周主场活动上,工作人员在给学生介绍电子对撞机模型(供图 视觉中国)
北京正负电子对撞机的建设、运行、成果,真正实现了邓小平说那句著名的“中国必须发展自己的高科技,在世界高科技领域占有一席之地”。常人所问,“花这么多钱,搞这个有什么用?”其实早已得到了答案。
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