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北京正负电子对撞机:撞出高能物理范畴丰盛“矿藏”

发布日期:2021-06-02 20:04   来源:未知   阅读:

  北京正负电子对撞机:撞出高能物理领域丰盛“矿藏”

  今天看来,建造BEPC是当时所能做的最好抉择,它让中国在国际高能物理领域占据一席之地,培育了一支存在国际水平的队伍,也推进了国内其余大科学装置的建设。

  王贻芳

  中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士

  ◎本报记者 崔 爽

  4月18日,北京正负电子对撞机(BEPC)重大改革工程备用超导腔体系鉴定会在中国科学院高能物理研究所(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要害装备进行了鉴定。

  这只是它每年无数大小改造中的一次。究竟,作为共和国第一台大科学装置,BEPC已经超过30岁了。用现任高能所所长、中国科学院院士王贻芳的话来说,当年大略做梦也没想到它可以运行这么久。

  “今天看来,建造BEPC是当时所能做的最好取舍,它让中国在国际高能物理领域占领一席之地,培养了一支具备国际水平的队伍,也推动了国内其他大科学装置的建设。”他曾如此感叹,未来,BEPC还会有10年预期寿命,持续它的科学探索。

  “七下八上”终上马

  走进高能所大厅,左手墙上一行大字:这件事不能再延迟了。字是周恩来总理亲笔,题名显示1972年9月11日。

  这是北京正负电子对撞机“七下八上”史上决定性的一笔。在那之前的8月18日,中国科学院原子能研究所原副所长张文裕等18人写信给周恩来总理,提动身展高能物理必须建造高能加速器,倡议树立我国自己的粒子物理实验基地。

  9月11日,周恩来总理复信,对高能物理研究和高能加速器的预制研究工作作出指导:“这件事不能再延迟了……高能物理研究和高能加速器的预制研究,应当成为科学院要抓的重要项目之一。”

  这一天来得殊为不易。曾获国家最高科技奖的高能所研究员谢家麟曾撰文回想:从50年代后期,就曾几度谋划、酝酿。

  早在1956年,我国就提出过建造高能加速器的计划。在北京正负电子对撞机正式动工之前,高能加速器项目更是经历了“七上七下”??一次次做出筹划、提上日程,一次次因为各种起因下马。

  在那个年代的中国,要不要建加速器、建怎么的加速器、建成之后要用来做什么,很少人有清楚的意识。

  直到上世纪80年代初,邓小平唆使方毅副总理就建造高能加速器问题,普遍征求海内外科学家的看法,充足论证,提出计划。方毅组织了全国十几个研究和产业部分的60多位专家进行重复论证。

  “综合各方面意见,大家大体都同意李政道、吴健雄、袁家骝及美国斯坦福直线加速器中央主任潘?夫斯基等人的提议??先建造一台2×22亿电子伏特的正负电子对撞机。”谢家麟写道,方案提出后,邓小平亲身批示:“我赞同加以同意,不再迟疑。”

  靴子落地。1988年10月16日,北京正负电子对撞机实现正负电子对撞,在其笼罩的能量区间内,有大批粲物理前沿研究工作可做。

  撞出粲物理领域30年当先

  北京正负电子对撞机位于天安门广场向西约15公里,形似一只羽毛球拍,它由北向南卧在地下,由一台长202米的直线加速器、一组共200米长的束流输运线、一台周长240米的储存环加速器、一座高6米重700吨的大型探测器“北京谱仪”和14个同步辐射实验站等组成。

  除了2004年至2008年进行的重大改造工程以及每年大概2个月的检验时光,正负电子几乎一刻不停地在此对撞,发生各种粒子事例,由布设在对撞区四周的谱仪捕获,科学家剖析这些事例,追求科学发现。

  为什么要对撞?通常的说明是,世界由一些根本粒子组成,加速器跟对撞机就是最常见的新粒子抓捕工具。通过它们把某种粒子加速到高能,轰击一个固定的靶或与粒子对撞,就可能发明新的基础粒子。

  高能所研究员张闯曾展现过一幅形象的漫画,两只小松鼠站在机器的两头,手中各拿着一个核桃。“把核桃往地上扔可能打不开,但让两个核桃高速对撞可能就能撞开。我们实际上就是要把粒子对撞打开,看里面是什么货色。速度越快、撞得越碎,越可能有所发现。”

  成果解释所有。粲物理领域的绝大多数精确测量,都是BEPC的功绩:1988年10月北京正负电子对撞机建造成功,成为国际上τ-粲物理能区性能最好的对撞机,先后失掉1990年国家科技先进特等奖、2016年国家科技提高一等奖。对τ轻子的品质进行的精准丈量,把本来的国际均匀值修改了3倍的尺度偏差,抢救了存在争议的轻子普适性原理。2013年3月,该装置发现四夸克物资,入选美国物理学会年度重要成果,并位列榜首。

  王贻芳坦陈,BEPC的学术成果是国际学术界公认的热门,但对社会民众来说,仿佛相隔甚远,但是,“科学的发展都是在科学界本身进化、解决了一个一个问题之后到来的。每一个设备,每一代人,每一个实验都作出了自己的奉献”。

  “确切无疑的收成”

  如谢家麟所写:“BEPC胜利的一个主要作用是它使我们增强了进行大科学科研工程建设才能的信念……同样,我们的工厂也能做降生界程度的部件。BEPC贮存环的四极磁铁用的冲模,最初为了赶进度,我们在国外订制,同时也在所内试制,后来发现我们自己的产品在对称性和精度上都优于国外的。BEPC直线加速器的加速管,对加工精度和制作工艺请求极高,而我们的产品机能如斯优胜,它已出口到好几个国度,美国的多少个大实验室都应用了我们制造的加速管,为国家发明了可观的外汇。”

  王贻芳同样强调了这点,如果把BEPC的成果结集成册,科学成果只是其中一个章节,因其而来的中国第一个电子邮件系统、制造企业技术水平的提升、人才队伍的造就、国际化科研环境的建设等,都是值得大书特书的一笔。

  “除了迷信自身的意思之外,BEPC把大家的思维翻开了,让大家可能走出去,看到外面的世界,跟国际一流的科学家沟通接触。进程中,咱们也有了一支在国际上叫得响的加速器建设步队。”王贻芳说,“科学的摸索良多时候可遇不可求,但这些都是确实无疑的播种。”

  他算了一笔账,BEPC建设用度2.4亿,重大改造6.4亿,加在一起8.8亿,但全中国的高能物理学家已经应用它工作了30年,迄今坚持1年三四十篇论文的产出,建立了国际大科学配合的典型。

  迎接高能物理的“超级对撞机”时代

  只是时期在变,高能物理研究的科学目的也在变。对这个以久远规划为特色的学科来说,是时候思考下一个30年甚至50年的问题了。

  在王贻芳看来,2019年,我国基本研究经费为1335.6亿元,占研究与发展(R&D)经费比重到达6.03%,是历史上首次冲破6%,而欧美国家的比例多年来保持在15%?20%。

  以他为代表的一批科学家,正在为高能物理的“超级对撞机”时代尽力。

  2012年7月4日,希格斯玻色子被探测。当年9月,高能所提出建造环形正负电子对撞机?超级质子对撞机(CEPC-SppC)。

  2018年11月14日,CEPC《概念设计讲演》两卷正式宣布,呈文包含《加速器卷》和《探测器和物理卷》。依据设计,“超级对撞机”的第一阶段大型环形正负电子对撞机(即CEPC)是一个周长100多公里的“圈”,预计须要300多亿元投资。有了这个能量更高、亮度大幅晋升的对撞机,可以对希格斯粒子进行准确的研究。

  这是国际高能物理学界的广泛共鸣。2020年6月,欧洲核子中央(CERN)全票通过了《欧洲粒子物理2020策略》,提出基于正负电子对撞机的“希格斯工厂”是“优先级最高的未来对撞机名目”,并冀望建设能量尽可能高的质子对撞机。

  王贻芳直言,经由8年探讨,CERN定下来的环形对撞机方案和CEPC简直完整一样,两者之间有点“正人之约”的象征,只有一方建,另一方做作放弃。废弃的一方只能在未来几十年去加入对方的研究方案。

  这是一个艰巨而又必须做的决定。用王贻芳的话说,一个大胆的决定。

  “高能物理研讨就是用大装置、做大规划,世界各地科学家都一起做研究、发文章。所以必定要想好将来要什么,提前计划,个别都是10年预备10年建设,再加二三十年的运行。”王贻芳说,“欧核核心的大型强子对撞机是上世纪70年代规划的产物,规划对了,高愉快兴用60年。”

  在高能所大厅,与周恩来总理手迹绝对的另一面墙上,挂着邓小平的一句话:在从前也好,今天也好,未来也好,中国必需发展本人的高科技,在世界高科技范畴占领一席之地。那是1988年10月24日,其来观察BEPC时说的。

  王贻芳看来,这恰是CEPC的价值。“假如让别人去建对撞机,那么拓展人类对天然认知范畴的技巧就要永远用别人的。我们自己不可能出生真正原创的世界级结果。”他说,要在世界高科技领域据有一席之地,CEPC供给了一个标杆式的机会。

  在这位高能物理学家的假想中,CERN打算2028年开建,如果CEPC能在2025年得到政府的明白支撑,提前对方两三年,将来,全世界的高能物理学家就将到中国的安装上做试验。

  他流露,CEPC目前已经实现了初步的概念设计,也在一些处所做了选址和地质勘察。“由于终极论断还未明确,所以不能全速推动,然而目前在做技术准备。总体来说,我们证实不不可战胜的艰苦,都是能够实现的。”

  他再次“摊开账簿”,建设CEPC需要300亿元投入,如果按设计运行30年来盘算,就算只有3000名高能物理学家使用,每人每年的本钱是30万,加上运行费和职员费,也不高于国内任何主要研究领域的科研投入基本水平。

  更重要的是,取得一个大型科学装置的主导权,和在别人的设备上做实验完全不同,“你来主导,就阐明你要做所有的决定,这个决定的风险都由你来承当。所以你必须晓得这件事件的利弊,技术方案挑选的优劣、危险,如果没有阅历过,你基本学不到这些。”王贻芳说。

  他盼望中国科学家通过CEPC学到这一课,他也在为那个还未到来的“英勇的决议”,时刻筹备着。 【编纂:卞破群】