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栗子
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学姐带你看大科学装置——北京正负电子对撞机

图文:栗子

导语:前两天,栗子学姐有幸参观了位于中国高能物理研究所内的“北京正负电子对撞机”,并且在幽默帅气的于程辉研究员的讲解下,认识到咱们的这个大科学装置有多牛。这个普通人难得一见的装置,栗子可是拍摄到了不少一手照片,机会难得,一起来看看吧!

北京正负电子对撞机(以下简称BEPC)是我国第一个大科学装置,坐落在北京市石景山区玉泉路上的中国高能物理研究所园区内,大部分结构位于地下。正所谓大隐隐于市,这个国之重器的所在地在北京这座繁华的城市内一点都不起眼,看起来朴实无华,但却散发着宁静而庄重的气息。

外景(实拍)

在正式介绍BEPC之前,先来简单说说正负电子对撞机是干嘛用的吧。我们知道,无尽的求知欲是人类区别于其他动物的重要特征。从古至今,人类一直在思考和探索:世界万物是由什么构成的?组成物质的基本单位、基本结构是什么?或者说,物质世界的终极本原是什么?

从公元前400多年古希腊人提出原子论开始,到如今,二十多个世纪过去了,我们对物质基本结构的认识,已经从原子、分子深入到了电子、质子、中子、夸克、轻子等。夸克、轻子是比质子还小的粒子,但是它们是不是就是最基本的粒子了呢?它们的质量、结构、性质是怎样的?这些都需要进一步的研究。

而这类研究,就要用到对撞机这种科学装置。对撞机把电子等已知的粒子加速到接近光速,然后使之发生碰撞,然后利用探测仪探测碰撞后产生的粒子并记录相关数据,再由科学家对数据进行分析、研究,探索这些粒子的性质和相互作用规律,进而有可能发现未知的新粒子。

北京正负电子对撞机控制中心所在大楼(实拍)

BEPC主要通过正负电子对撞来研究t轻子(轻子的一种,电子也是一种轻子)和J/Psi粒子(1974年科学家发现的一种能量约为31亿电子伏特的新粒子,是由夸克组成的一种粲粒子)。栗子学姐知道这两个名字肯定令大多数读者头疼,没关系,不用深究这两种粒子到底是什么,咱们普通人只需要知道这是轻子、夸克家族中的两个成员就好了。

BEPC占地50000平方米,由注入器、储存环、北京谱仪和同步辐射装置等几部分组成,整体外观像一个乒乓球拍。球拍的直柄部分是注入器,一台200米长的直线加速器,用于为储存环提供能量为1.1-1.89GeV(1GeV=10亿电子伏特)的正负电子束。球拍的圆形部分是储存环,是一台周长为240米的环形加速器,它将电子束加速到需要的能量,并加以储存。正负电子束的对撞点在储存环的南侧,那里有由一台大型粒子探测器——北京谱仪。同步辐射装置则是BEPC的另一个重要应用平台,为各个学科的科学家利用电子束产生的同步辐射光进行相关实验研究提供服务。

栗子学姐跟随研究员从这里进入BEPC的地下区域(实拍)

 

储存环局部(实拍)

储存环局部(实拍)

上文说了,BEPC可以提供一定能量范围内的正负电子束。电子束的能量不同时,对撞产生的粒子也不同。1.55GeV的正负电子束对撞时,会产生J/Psi粒子;1.89GeV的正负电子束对撞时,产生t轻子。通过控制对撞的电子束流的能量,BEPC就可以研究这两种不同的粒子。这两种粒子就是BEPC主要研究的粒子,所在的能量区域被称为t-粲能区。

在BEPC运行、研究的t-粲能区,曾经还有美国康奈尔大学这个竞争对手。但是,BEPC凭借优异的表现和升级改造打败了它,成为该能区目前世界唯一、当然也是世界最先进的正负电子对撞机。

直线加速器局部(实拍)

BEPC从1984年开始动工建设,1988年10月建成,建成运行后,取得了许多世界级的研究成果。比如,1992年,我国高能物理学家利用BEPC精确测量了t轻子的质量,把当时世界上t轻子的测量精度提高了7倍……我国科学家们取得的成就,令大洋彼岸的美国人眼红。

当时,美国康奈尔大学的正负电子对撞机(CESR)的工作能区在10GeV左右,在看到我们的BEPC取得了如此丰硕的成果之后,康奈尔的科学家于2001年初决定对他们的CESR进行改造,将其能区下调到与BEPC一样的t-粲能区(3-5GeV)。等到他们改造完成,将直接和BEPC产生竞争。而高能物理研究领域的竞争是残酷的,因为对基本粒子等的研究,比的就是谁能先人一步发现新粒子,或者谁能更精确的测量粒子的性质、结构。在同一个能区,如果有多个对撞机,就意味着它们必然有优劣之分,而只有最优秀的那个才能胜出,其余都会被淘汰。

对撞区,探测器部分(实拍)

探测器部分(图片来源:BEPC官网)

中国高能物理研究所的科学家们在得知康奈尔大学的计划后,虽然担心焦虑,但并没有灰心。他们迎难而上,对之前已有的BEPC改造方案进行了重大调整。原本的BEPC是单环对撞机,只有一个储存环,正电子束和负电子束都在这个储存环里进行加速。新的改造方案则采用了双环方案,正、负电子束在彼此独立的储存环中加速、储存,这样能大幅提高对撞亮度(即单位时间内、单位反应截面上对撞产生的粒子数目),简单来说,就是大幅提高了我们所要研究的粒子的生产效率,有利于在与康奈尔大学的竞争中取得领先。

从单环到双环的改造工程任务非常艰巨,需要克服许多仪器制造技术和工程技术上的难题,如低温超导设备、接近外太空的真空度的真空设备、超导腔系统制造等等,很多都是当时中国未掌握的高精尖技术。可以说,BEPC改造工程是我国重大科学工程中最具挑战性和创新性的项目之一。

同步辐射装置(图片来源:BEPC官网)

但是不论什么难题,都没有难倒我们的科学家和工程师们。从2004年改造工程开始后到2009年7月通过国家验收,他们通力合作,攻克了一个又一个技术关卡,既圆满完成了BEPC升级改造工程,又附带掌握了许多高精尖技术,为之后的工业应用奠定了基础。这次栗子学姐参观、拍摄的就是升级改造后的第二代北京正负电子对撞机(BEPCII),它的对撞亮度约是改造后的康奈尔大学对撞机的10倍。正因为BEPCII的性能如此优异,在它建成运行后不久,康奈尔大学的正负电子对撞机就终止了运行,在这场竞争中认输、退出了。

BEPCII投入运行后,在高能物理领域和多学科的同步辐射研究领域都取得了许多重大成果。鉴于高能物理领域的研究太抽象,栗子学姐在这里就不举例了,只讲一个利用BEPCII的同步辐射装置完成的有趣的科学发现。

2016年12月8日,著名生物学期刊《当代生物学》上刊登的一篇论文引发了国际古生物学术界的震动。这篇论文介绍了由中国地质大学(北京)的邢立达教授和加拿大萨斯喀彻温省皇家博物馆的麦凯勒教授领衔的考古项目的研究成果,他们在一块琥珀中发现了恐龙化石。这是人类有史以来第一次在琥珀中发现恐龙化石。

邢立达教授他们发现的琥珀化石(图片来源:科学网)

尾部羽毛特写(图片来源:科学网)

这块琥珀中的恐龙化石是恐龙的尾部,尾部的羽毛清晰可见、细节丰富。当时,获得这块琥珀的邢立达教授虽然辨识出这是动物化石,但并不能确定它究竟是来自什么动物,是古鸟类还是非鸟恐龙?由于化石包裹在琥珀内部,包裹在9900万年前白垩纪中期的热带丛林分泌的树脂形成的化石中,无法完整地剥离开来,科学家们必须采取无损的方法去进行分析研究。如何进行无损分析呢?BEPCII的北京同步辐射装置(BSRF)就派上了大用场。

利用该装置,就像给人做CT、照X光一样,科学家们对这块化石进行了无损成像,得到了隐藏在羽毛内部的尾部椎骨的高质量投影图像,进而构建出尾部的高清3D形态。根据无损成像结果,科学家们最终认定这是一段来自非鸟恐龙的尾巴,并推演出它属于一只全长只有18.5厘米的小恐龙。科学家们给这只恐龙取名叫“伊娃”。

无损探测展示的尾部骨骼和羽干细节(图片来源:科学网)

怎么样,是不是突然觉得BPEC不是高冷的粒子物理学专享的高端装置了? 事实上,不论改造前还是改造后,BPEC都是一台t-粲能区国际领先的对撞机和高性能的兼用同步辐射装置。它的同步辐射装置,向全国研究所和高校用户开放,可以提供真空紫外至硬X光,服务于众多学科的科学研究,如材料科学、生物科学、化学、医学、环境科学、地质学等等,为诸多重大研究成果做出过贡献。

2017年1月,在人民大会堂举行的2016年度国家科学技术奖励大会上,“北京正负电子对撞机重大改造工程”获得国家科学技术进步一等奖,收获了我国科技界的最高礼赞,可谓实至名归。

 

 

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