北京正負電子對撞機撞出粲物理領(lǐng)域 “超級對撞機”時代或?qū)⒌絹?/h2>
來源：科技日報

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(lǐng)域占領(lǐng)一席之地，培養(yǎng)了一支具有國際水平的隊伍，也推動了國內(nèi)其他大科學(xué)裝置的建設(shè)。

王貽芳 中國科學(xué)院高能物理研究所所長、中國科學(xué)院院士

4月18日，北京正負電子對撞機（BEPC）重大改造工程備用超導(dǎo)腔系統(tǒng)鑒定會在中國科學(xué)院高能物理研究所（以下簡稱高能所）召開。來自北京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)等單位的專家組成的鑒定專家組對備用超導(dǎo)腔系統(tǒng)這一關(guān)鍵設(shè)備進行了鑒定。

這只是它每年無數(shù)大小改造中的一次。畢竟，作為共和國第一臺大科學(xué)裝置，BEPC已經(jīng)超過30歲了。用現(xiàn)任高能所所長、中國科學(xué)院院士王貽芳的話來說，當年大概做夢也沒想到它可以運行這么久。

“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(lǐng)域占領(lǐng)一席之地，培養(yǎng)了一支具有國際水平的隊伍，也推動了國內(nèi)其他大科學(xué)裝置的建設(shè)。”他曾如此感慨，未來，BEPC還會有10年預(yù)期壽命，繼續(xù)它的科學(xué)探索。

“七下八上”終上馬

走進高能所大廳，左手墻上一行大字：這件事不能再延遲了。字是周恩來總理親筆，落款顯示1972年9月11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8月18日，中國科學(xué)院原子能研究所原副所長張文裕等18人寫信給周恩來總理，提出發(fā)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。

9月11日，周恩來總理復(fù)信，對高能物理研究和高能加速器的預(yù)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(yù)制研究，應(yīng)該成為科學(xué)院要抓的主要項目之一。”

這一天來得殊為不易。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年代后期，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(jīng)歷了“七上七下”——一次次做出計劃、提上日程，一次次因為各種原因下馬。

在那個年代的中國，要不要建加速器、建怎樣的加速器、建成之后要用來做什么，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(nèi)外科學(xué)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(yè)部門的60多位專家進行反復(fù)論證。

“綜合各方面意見，大家大體都贊成李政道、吳健雄、袁家騮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——先建造一臺2×22億電子伏特的正負電子對撞機。”謝家麟寫道，方案提出后，鄧小平親自批示：“我贊成加以批準，不再猶豫。”

靴子落地。1988年10月16日，北京正負電子對撞機實現(xiàn)正負電子對撞，在其覆蓋的能量區(qū)間內(nèi)，有大量粲物理前沿研究工作可做。

撞出粲物理領(lǐng)域30年領(lǐng)先

北京正負電子對撞機位于天安門廣場向西約15公里，形似一只羽毛球拍，它由北向南臥在地下，由一臺長202米的直線加速器、一組共200米長的束流輸運線、一臺周長240米的儲存環(huán)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，產(chǎn)生各種粒子事例，由布設(shè)在對撞區(qū)周圍的譜儀捕捉，科學(xué)家分析這些事例，尋求科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

為什么要對撞？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(fā)現(xiàn)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，看里面是什么東西。速度越快、撞得越碎，越可能有所發(fā)現(xiàn)。”

成果說明一切。粲物理領(lǐng)域的絕大多數(shù)精確測量，都是BEPC的功勞：1988年10月北京正負電子對撞機建造成功，成為國際上τ-粲物理能區(qū)性能最好的對撞機，先后獲得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(zhì)量進行的精準測量，把原來的國際平均值修正了3倍的標準偏差，挽救了存在爭議的輕子普適性原理。2013年3月，該裝置發(fā)現(xiàn)四夸克物質(zhì)，入選美國物理學(xué)會年度重要成果，并位列榜首。

王貽芳坦陳，BEPC的學(xué)術(shù)成果是國際學(xué)術(shù)界公認的熱點，但對社會大眾來說，似乎相隔甚遠，但是，“科學(xué)的發(fā)展都是在科學(xué)界自身進化、解決了一個一個問題之后到來的。每一個設(shè)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(xué)科研工程建設(shè)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(huán)的四極磁鐵用的沖模，最初為了趕進度，我們在國外訂制，同時也在所內(nèi)試制，后來發(fā)現(xiàn)我們自己的產(chǎn)品在對稱性和精度上都優(yōu)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，而我們的產(chǎn)品性能如此優(yōu)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，為國家創(chuàng)造了可觀的外匯。”

王貽芳同樣強調(diào)了這點，如果把BEPC的成果結(jié)集成冊，科學(xué)成果只是其中一個章節(jié)，因其而來的中國第一個電子郵件系統(tǒng)、制造企業(yè)技術(shù)水平的提升、人才隊伍的培養(yǎng)、國際化科研環(huán)境的建設(shè)等，都是值得大書特書的一筆。

“除了科學(xué)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(xué)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(shè)隊伍。”王貽芳說，“科學(xué)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(shè)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(xué)家已經(jīng)利用它工作了30年，迄今保持1年三四十篇論文的產(chǎn)出，樹立了國際大科學(xué)合作的典范。

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(xué)目標也在變。對這個以長遠規(guī)劃為特點的學(xué)科來說，是時候思考下一個30年甚至50年的問題了。

在王貽芳看來，2019年，我國基礎(chǔ)研究經(jīng)費為1335.6億元，占研究與發(fā)展（R&D）經(jīng)費比重達到6.03%，是歷史上首次突破6%，而歐美國家的比例多年來保持在15%—20%。

以他為代表的一批科學(xué)家，正在為高能物理的“超級對撞機”時代努力。

2012年7月4日，希格斯玻色子被探測。當年9月，高能所提出建造環(huán)形正負電子對撞機—超級質(zhì)子對撞機（CEPC-SppC）。

2018年11月14日，CEPC《概念設(shè)計報告》兩卷正式發(fā)布，報告包括《加速器卷》和《探測器和物理卷》。根據(jù)設(shè)計，“超級對撞機”的第一階段大型環(huán)形正負電子對撞機（即CEPC）是一個周長100多公里的“圈”，預(yù)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(xué)界的普遍共識。2020年6月，歐洲核子中心（CERN）全票通過了《歐洲粒子物理2020戰(zhàn)略》，提出基于正負電子對撞機的“希格斯工廠”是“優(yōu)先級最高的未來對撞機項目”，并期望建設(shè)能量盡可能高的質(zhì)子對撞機。

王貽芳直言，經(jīng)過8年討論，CERN定下來的環(huán)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。用王貽芳的話說，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(xué)家都一起做研究、發(fā)文章。所以一定要想好將來要什么，提前規(guī)劃，一般都是10年準備10年建設(shè)，再加二三十年的運行。”王貽芳說，“歐核中心的大型強子對撞機是上世紀70年代規(guī)劃的產(chǎn)物，規(guī)劃對了，高高興興用60年。”

在高能所大廳，與周恩來總理手跡相對的另一面墻上，掛著鄧小平的一句話：在過去也好，今天也好，將來也好，中國必須發(fā)展自己的高科技，在世界高科技領(lǐng)域占有一席之地。那是1988年10月24日，其來視察BEPC時說的。

王貽芳看來，這正是CEPC的價值。“如果讓別人去建對撞機，那么拓展人類對自然認知范圍的技術(shù)就要永遠用別人的。我們自己不可能誕生真正原創(chuàng)的世界級成果。”他說，要在世界高科技領(lǐng)域占有一席之地，CEPC提供了一個標桿式的機遇。

在這位高能物理學(xué)家的設(shè)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(xué)家就將到中國的裝置上做實驗。

他透露，CEPC目前已經(jīng)完成了初步的概念設(shè)計，也在一些地方做了選址和地質(zhì)勘探。“因為最終結(jié)論還未明確，所以不能全速推進，但是目前在做技術(shù)準備。總體來說，我們證明沒有不可克服的困難，都是可以實現(xiàn)的。”

他再次“攤開賬簿”，建設(shè)CEPC需要300億元投入，如果按設(shè)計運行30年來計算，就算只有3000名高能物理學(xué)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(nèi)任何主要研究領(lǐng)域的科研投入基本水平。

更重要的是，獲得一個大型科學(xué)裝置的主導(dǎo)權(quán)，和在別人的設(shè)備上做實驗完全不同，“你來主導(dǎo)，就說明你要做所有的決定，這個決定的風(fēng)險都由你來承擔(dān)。所以你必須知道這件事情的利弊，技術(shù)方案選擇的優(yōu)劣、風(fēng)險，如果沒有經(jīng)歷過，你根本學(xué)不到這些。”王貽芳說。

他希望中國科學(xué)家通過CEPC學(xué)到這一課，他也在為那個還未到來的“勇敢的決定”，時刻準備著。

標簽： 北京 正負電子 超級對撞機 物理

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