北京正負電子對撞機:撞出高能物理領域豐富“礦藏”

北京正負電子對撞機:撞出高能物理領域豐富“礦藏” 

來源:科技日報  作者:崔爽 

BEPCII鳥瞰圖受訪單位供圖

  今天看來,建造BEPC是当时所能做的最好选择,它让中国在国际高能物理领域占领一席之地,培养了一支具有国际水平的队伍,也推动了国内其他大科学装置的建设。——中國科學院高能物理研究所所长、中國科學院院士王贻芳 

  418日,北京正負電子對撞機(BEPC)重大改造工程备用超导腔系统鉴定会在中國科學院高能物理研究所(以下简称高能所)召开。来自北京大学、中国科学技术大学、清华大学等单位的专家组成的鉴定专家组对备用超导腔系统这一关键设备进行了鉴定。 

  這只是它每年無數大小改造中的一次。畢竟,作爲共和國第一台大科學裝置,BEPC已經超過30岁了。用现任高能所所长、中國科學院院士王贻芳的话来说,当年大概做梦也没想到它可以运行这么久。 

  “今天看來,建造BEPC是當時所能做的最好選擇,它讓中國在國際高能物理領域占領一席之地,培養了一支具有國際水平的隊伍,也推動了國內其他大科學裝置的建設。”他曾如此感慨,未來,BEPC還會有10年預期壽命,繼續它的科學探索。 

  “七下八上”終上馬 

  走進高能所大廳,左手牆上一行大字:這件事不能再延遲了。字是周恩來總理親筆,落款顯示1972911日。 

  這是北京正負電子對撞機“七下八上”史上決定性的一筆。在那之前的818日,中國科學院原子能研究所原副所长张文裕等18人寫信給周恩來總理,提出發展高能物理必須建造高能加速器,建議建立我國自己的粒子物理實驗基地。 

  911日,周恩來總理複信,對高能物理研究和高能加速器的預制研究工作作出指示:“這件事不能再延遲了……高能物理研究和高能加速器的預制研究,應該成爲科學院要抓的主要項目之一。” 

  這一天來得殊爲不易。曾獲國家最高科技獎的高能所研究員謝家麟曾撰文回憶:從50年代後期,就曾幾度籌劃、醞釀。 

  早在1956年,我國就提出過建造高能加速器的計劃。在北京正負電子對撞機正式動工之前,高能加速器項目更是經曆了“七上七下”——一次次做出計劃、提上日程,一次次因爲各種原因下馬。 

  在那個年代的中國,要不要建加速器、建怎樣的加速器、建成之後要用來做什麽,很少人有清晰的認識。 

  直到上世紀80年代初,鄧小平指示方毅副總理就建造高能加速器問題,廣泛征求國內外科學家的意見,充分論證,提出方案。方毅組織了全國十幾個研究和工業部門的60多位專家進行反複論證。 

  “綜合各方面意見,大家大體都贊成李政道、吳健雄、袁家骝及美國斯坦福直線加速器中心主任潘渃夫斯基等人的建議——先建造一台2×22億電子伏特的正負電子對撞機。”謝家麟寫道,方案提出後,鄧小平親自批示:“我贊成加以批准,不再猶豫。” 

  靴子落地。19881016日,北京正負電子對撞機實現正負電子對撞,在其覆蓋的能量區間內,有大量粲物理前沿研究工作可做。 

  撞出粲物理領域30年領先 

  北京正負電子對撞機位于天安門廣場向西約15公裏,形似一只羽毛球拍,它由北向南臥在地下,由一台長202米的直線加速器、一組共200米長的束流輸運線、一台周長240米的儲存環加速器、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。 

  除了2004年至2008年進行的重大改造工程以及每年大約2個月的檢修時間,正負電子幾乎一刻不停地在此對撞,産生各種粒子事例,由布設在對撞區周圍的譜儀捕捉,科學家分析這些事例,尋求科學發現。 

  爲什麽要對撞?通常的解釋是,世界由一些基本粒子組成,加速器和對撞機就是最常見的新粒子抓捕工具。通過它們把某種粒子加速到高能,轟擊一個固定的靶或與粒子對撞,就可能發現新的基本粒子。 

  高能所研究員張闖曾展示過一幅形象的漫畫,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,看裏面是什麽東西。速度越快、撞得越碎,越可能有所發現。” 

  成果說明一切。粲物理領域的絕大多數精確測量,都是BEPC的功勞:198810月北京正負電子對撞機建造成功,成爲國際上τ-粲物理能區性能最好的對撞機,先後獲得1990年國家科技進步特等獎、2016年國家科技進步一等獎。對τ輕子的質量進行的精准測量,把原來的國際平均值修正了3倍的標准偏差,挽救了存在爭議的輕子普適性原理。20133月,該裝置發現四誇克物質,入選美國物理學會年度重要成果,並位列榜首。 

  王贻芳坦陳,BEPC的學術成果是國際學術界公認的熱點,但對社會大衆來說,似乎相隔甚遠,但是,“科學的發展都是在科學界自身進化、解決了一個一個問題之後到來的。每一個設備,每一代人,每一個實驗都作出了自己的貢獻”。 

  “確切無疑的收獲” 

  如謝家麟所寫:“BEPC成功的一個重要作用是它使我們加強了進行大科學科研工程建設能力的信心……同樣,我們的工廠也能做出世界水平的部件。BEPC儲存環的四極磁鐵用的沖模,最初爲了趕進度,我們在國外訂制,同時也在所內試制,後來發現我們自己的産品在對稱性和精度上都優于國外的。BEPC直線加速器的加速管,對加工精度和制造工藝要求極高,而我們的産品性能如此優越,它已出口到好幾個國家,美國的幾個大實驗室都使用了我們制造的加速管,爲國家創造了可觀的外彙。” 

  王贻芳同樣強調了這點,如果把BEPC的成果結集成冊,科學成果只是其中一個章節,因其而來的中國第一個電子郵件系統、制造企業技術水平的提升、人才隊伍的培養、國際化科研環境的建設等,都是值得大書特書的一筆。 

  “除了科學本身的意義之外,BEPC把大家的思想打開了,讓大家能夠走出去,看到外面的世界,跟國際一流的科學家溝通接觸。過程中,我們也有了一支在國際上叫得響的加速器建設隊伍。”王贻芳說,“科學的探索很多時候可遇不可求,但這些都是確切無疑的收獲。” 

  他算了一筆賬,BEPC建設費用2.4億,重大改造6.4億,加在一起8.8億,但全中國的高能物理學家已經利用它工作了30年,迄今保持1年三四十篇論文的産出,樹立了國際大科學合作的典範。 

  迎接高能物理的“超級對撞機”時代 

  只是時代在變,高能物理研究的科學目標也在變。對這個以長遠規劃爲特點的學科來說,是時候思考下一個30年甚至50年的問題了。 

  在王贻芳看來,2019年,我國基礎研究經費爲1335.6億元,占研究與發展(R&D)經費比重達到6.03%,是曆史上首次突破6%,而歐美國家的比例多年來保持在15%20% 

  以他爲代表的一批科學家,正在爲高能物理的“超級對撞機”時代努力。 

  201274日,希格斯玻色子被探測。當年9月,高能所提出建造環形正負電子對撞機—超級質子對撞機(CEPC-SppC)。 

  20181114日,CEPC《概念設計報告》兩卷正式發布,報告包括《加速器卷》和《探測器和物理卷》。根據設計,“超級對撞機”的第一階段大型環形正負電子對撞機(即CEPC)是一個周長100多公裏的“圈”,預計需要300多億元投資。有了這個能量更高、亮度大幅提升的對撞機,可以對希格斯粒子進行精確的研究。 

  這是國際高能物理學界的普遍共識。20206月,歐洲核子中心(CERN)全票通過了《歐洲粒子物理2020戰略》,提出基于正負電子對撞機的“希格斯工廠”是“優先級最高的未來對撞機項目”,並期望建設能量盡可能高的質子對撞機。 

  王贻芳直言,經過8年討論,CERN定下來的環形對撞機方案和CEPC幾乎完全一樣,兩者之間有點“君子之約”的意味,只要一方建,另一方自然放棄。放棄的一方只能在未來幾十年去參加對方的研究計劃。 

  這是一個艱難而又必須做的決定。用王贻芳的話說,一個勇敢的決定。 

  “高能物理研究就是用大裝置、做大計劃,世界各地科學家都一起做研究、發文章。所以一定要想好將來要什麽,提前規劃,一般都是10年准備10年建設,再加二三十年的運行。”王贻芳說,“歐核中心的大型強子對撞機是上世紀70年代規劃的産物,規劃對了,高高興興用60年。” 

  在高能所大廳,與周恩來總理手迹相對的另一面牆上,挂著鄧小平的一句話:在過去也好,今天也好,將來也好,中國必須發展自己的高科技,在世界高科技領域占有一席之地。那是19881024日,其來視察BEPC時說的。 

  王贻芳看來,這正是CEPC的價值。“如果讓別人去建對撞機,那麽拓展人類對自然認知範圍的技術就要永遠用別人的。我們自己不可能誕生真正原創的世界級成果。”他說,要在世界高科技領域占有一席之地,CEPC提供了一個標杆式的機遇。 

  在這位高能物理學家的設想中,CERN計劃2028年開建,如果CEPC能在2025年得到政府的明確支持,提前對方兩三年,未來,全世界的高能物理學家就將到中國的裝置上做實驗。 

  他透露,CEPC目前已經完成了初步的概念設計,也在一些地方做了選址和地質勘探。“因爲最終結論還未明確,所以不能全速推進,但是目前在做技術准備。總體來說,我們證明沒有不可克服的困難,都是可以實現的。” 

  他再次“攤開賬簿”,建設CEPC需要300億元投入,如果按設計運行30年來計算,就算只有3000名高能物理學家使用,每人每年的成本是30萬,加上運行費和人員費,也不高于國內任何主要研究領域的科研投入基本水平。 

  更重要的是,獲得一個大型科學裝置的主導權,和在別人的設備上做實驗完全不同,“你來主導,就說明你要做所有的決定,這個決定的風險都由你來承擔。所以你必須知道這件事情的利弊,技術方案選擇的優劣、風險,如果沒有經曆過,你根本學不到這些。”王贻芳說。 

  他希望中國科學家通過CEPC學到這一課,他也在爲那個還未到來的“勇敢的決定”,時刻准備著。