科技日历|耗资数亿的北京正负电子对撞机，为何能与“两弹一星”比肩？

30年前的今天，1989年12月8日，北京正负电子对撞机同步辐射装置通过鉴定。

北京正负电子对撞机(BEPC)是世界八大高能加速器中心之一， 是我国第一台高能加速器，也是高能物理研究的重大科技基础设施。对撞机由长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。从外形上来看，它就像个巨大的羽毛球拍。

(同步辐射分总体，图源：BEPC官网)

其中，北京谱仪可谓是正负电子对撞机的“眼睛”，记录对撞产生的各种反应。

北京正负电子对撞机总投资为2.4亿元，工程建筑总面积达57500平方米，由中科院高能物理所负责建造。1984年10月动工兴建，1988年10月完成建设，成功实现正负电子对撞。

正负电子对撞机的建立

由于微观粒子的性质不像宏观物质一样易于直接观察，科学家们想出了很多办法来进行研究。

正负电子对撞机是一个使正负电子产生对撞的设备，正、负电子在其中的高真空管道内被加速到接近光速，并在指定的地点发生对撞。

用加速器把某种粒子加速到高能，轰击一个固定的靶位，与组成靶的粒子相互作用，就有可能产生新的基本粒子。

科学家通过对这些数据的处理和分析，进一步认识粒子的性质，从而发现新粒子、新现象，揭示微观世界的奥秘。

《人民日报》将北京正负电子对撞机誉为“我国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后，在高科技领域又一重大突破性成就”。

1988年，邓小平同志到中国科学院高能物理研究所视察，庆祝这一工程的重大成就，其间发表了著名讲话“中国必须在世界高科技领域占有一席之地”。

升级改造

从2003年开始，北京正负电子对撞机开始进行重大改造，耗资6.4亿元，为期5年。

2007年11月，储存环单环改双环这一最关键和最困难的环节已经度过，顺利完成对撞机重大改造工程的第二阶段任务，剩下就是安装对撞机上的大型粒子探测器北京谱仪的任务。

改造工程采用的是世界先进的双环交叉对撞方案，原先电子只有一条"光速跑道"，改造后正负电子各占一条"跑道"进行大角度水平对撞，对撞机性能将提高100倍。

不过，这种大科学装置改造难度很大，十几吨的设备无法使用大吊车安放，数万根电缆不能出一丝差错，原先的设计空间狭小等。

中科院高能所所长陈和生表示：“国外成功的双环对撞机是在80米距离内实现电子对撞再分开，我们必须在28米内实现。”

他提到，改造中许多技术和设备国内从未有过，而高能物理对撞机的加工精度比航天、航空领域还要高。

研究成果

在建立之初，经济环境不是很好，不少人都质疑正负电子对撞机的必要性，也有人担心加速器会有放射性污染。

这个问题也不仅在中国存在。美国超级超导对撞机(SSC)建立之前，美国国会也有议员反对建造该装置，并称：“你们不是找希格斯玻色子——上帝粒子吗，可以，如果上帝说要找他的‘儿子’，我就投票!”

实际上，国际上对大科学装置的投入产出比也有一些研究，比如用于高能物理研究的大型加速器类装置，一般公认在1∶3左右，即投入1元，产出3元。

北京正负电子对撞机最终也证明了自己。对撞机建立后，科学家们完成了不少研究：

在光束线上，专家们利用聚焦X光和真空紫外光做了激光晶体材料的X光激发发光实验;利用同步辐射光源提供的高亮度X光，几十秒钟完成对单根头发丝进行的X光激发荧光谱分析;利用同步辐射光对高温超导材料进行深入研究;制成了直径仅4毫米的超微电机等。

值得一提的是，北京正负电子对撞机也为非典研究做过贡献。在生物大分子光束线站上，科学家首次获得了SARS病毒蛋白酶大分子结构。

此外，材料界十分热门的纳米结构研究也多在对撞机的同步辐射站上进行。

这项装置的运行使用，能够提供从真空紫外光到硬X光的很大光谱范围的同步辐射光，供生物物理、生物化学、光化学、固体物理、原子和分子物理、表面物理、材料科学、计量标准及医学研究等方面的应用。

90年代以来，高能物理研究所获得了τ轻子质量精确测量、R值测量、发现新共振态等重大成果，测定了大批重要蛋白质结构，居于国际领先水平，成为世界高能物理研究中心之一。

中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳说，今天看来，这台大科学装置是当时所能作的最好选择，“有些技术从根本上改变了人类生活，其贡献已无法用金钱衡量”。