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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?

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 Winnie Lee • 2019-12-08 17:10:23 来源:前瞻网 E4735G2

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。

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(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”。

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