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對撞30載 錘鍊“大科學”精銳之師

http://dailynews.sina.com   2019年05月24日 13:45   中國新聞網

  關於中國是否應該建設“下一代大型粒子對撞機”是近年來科技領域的爭論熱點之一。持贊成立場的有中科院院士、中科院高能物理研究所所長王貽芳,持反對立場的則有諾貝爾物理學獎得主。雙方在多個場合下分別闡明自己的立場和理由,爭論的影響也已超出學術界,進入公衆輿論層面。目前,這場爭論還在繼續,結論和有關部門的決策還需進一步等待和觀察。

  上世紀七八十年代,中國經過長期醞釀後,鄧小平親自決策,支持建設北京正負電子對撞機。它被認爲是中國科學家繼原子彈、氫彈、人造衛星、核潛艇之後取得的又一偉大成就。

  讓我們一起走進中科院高能物理研究所,近距離感受北京正負電子對撞機的風采——

  天安門向西約15公里,形似羽毛球拍的北京正負電子對撞機大部分結構由北向南臥於地下,它由一臺長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。

  進入中科院高能物理所44年,張闖幾乎參與了北京正負電子對撞機及其重大改造工程全過程。“在世界上最權威的粒子數據表上,北京譜儀測量的數據超過1000項,每一項數據就是一項成果。可以說,粲物理領域的絕大多數精確測量是由北京譜儀合作組完成的。”張闖很驕傲,他和同行,見證了北京正負電子對撞機所成就的在粲物理領域30年領先。

  對撞讓新粒子現身

  高能物理所研究員、北京譜儀Ⅲ發言人苑長征介紹說,北京正負電子對撞機是一臺高能加速器,提供的正負電子束流主要做兩件事:一是高能物理實驗,即北京譜儀實驗,產出了一系列重大成果;二是同步輻射應用研究,利用對撞時產生的同步輻射光供多學科開展研究,每年有大約500多個實驗在此完成。

  張闖研究員展示了一張漫畫,兩隻小松鼠站在機器的兩頭,手中各拿着一個核桃,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,看裏面是什麼東西。速度越快、撞得越碎,越可能有所發現。他用這個例子解釋了“爲什麼要對撞”。

  “如果不對撞,用電子束打靜止靶,產生的有效的相互作用能量要小得多。1954年,物理學家費米提出建造一種高能加速器,採用打靜止靶的方案,需要加速器的半徑達到8000公里,比地球半徑還要大。歐洲強子對撞機的半徑只有4.3公里,就達到了13TeV的質心能量,所以超高能研究一定要讓兩個束流進行對撞。”張闖說,束流對撞要求粒子多、截面積小、頻率高,才能獲得足夠高的對撞亮度,因此難度也大得多。

  “正負電子不斷對撞,科學家獲取分析對撞產生的大量事例,看其中是否可能有一些稀有現象,披沙揀金一般,各種新粒子都是這樣現身的。”張闖說。

  在億萬粒子中找不同

  在粲物理領域,絕大多數精確測量是北京譜儀合作組完成的。

  這來源於北京正負電子對撞機的卓越性能。“1988年10月對撞成功,運行30多年。對撞機是經過幾代人努力做出來的,我們這一代曾面臨康奈爾大學的挑戰,對方把能量降了下來,一時超過了我們。後來,我們做了重大改造,在世界同類型裝置中繼續保持領先。”張闖說。2008年完成改造後,它成爲雙環結構,約100個束團,每秒對撞約一億次,加上其他性能提升,亮度比改造前提高了100倍。

  在粒子物理領域存在3個研究前沿,分別是高能量前沿、高強度前沿、宇宙學前沿,北京正負電子對撞機處於高強度前沿,另外兩端分別有大型強子對撞機(LHC)、國際直線對撞機(ILC)、未來環形對撞機(CEPC和FCC)等和高山宇宙線、空間探測器、望遠鏡等。

  正負電子對撞機等大科學裝置拓展了人類宏觀微觀認識尺度。20世紀初,人類認識的世界小到10的-10次方米的原子,大到10的11次方米遠的行星。上世紀30年代,範圍擴大到原子核和恆星。到了2000年,依託大科學裝置,人類的視野深入到10的-18次方米的夸克、擴展到10的25次方米遠的浩瀚太空。

  苑長征說,最近又有一個重要發現:北京譜儀Ⅲ合作組發現正負電子對撞中蘭布達超子存在橫向極化,合作組利用2009年和2012年採集的13億粲偶素數據,選出了純度高、質量好的42萬事例,發現由此產生的蘭布達超子存在高達25%的橫向極化。這項成果剛在英國《自然·物理》雜誌刊出。

  優勢還會保持10年

  張闖打開電腦,進入對撞機的顯示頁面,屏幕上兩條曲線沿時間軸向前推移,一條代表正電子流強的紅線,一條代表負電子流強的藍線,高點約在600毫安,大概1小時後,兩條線勻速降至低點,約450毫安,這代表粒子數量越來越少,控制室的工作人員操作按鍵,注入正負電子,曲線擡頭,繼續每秒一億次的對撞。

  全世界14個國家、64個研究機構的400多名科學家,每天都可以在世界各地點開這個頁面,看到兩條曲線。

  “從1989年開始實驗起,就建立起北京譜儀合作組,合作組30年來一直在一起做實驗。”張闖說,這套由中國牽頭的國際重大科學裝置的合作規則,是北京正負電子對撞機的寶貴經驗,爲後來者做出示範。

  它將來會不會壽終正寢?張闖很坦然:我們的優勢還會保持10年以上,這期間要繼續做實驗,比如繼續研究輕強子譜和新強子態等,根據實驗結果,看是否需要進一步提高性能。

  近幾年,關於中國是否要建造環形正負電子對撞機(CEPC)的爭論持續進行。去年底,兩卷本的環形正負電子對撞機《CEPC概念設計報告》正式發佈。近日,反對建設的觀點再次被提出,爭論又一次擺上檯面。

  “有爭論很正常。”張闖說,“但科學研究會找到自己的方向,比如,我們的對撞機繼續向前走,可能需要再改造。如果暫時不能做高能量前沿,還可以做高強度前沿。如果因爲經費或者技術原因不能做,可以等將來條件成熟了再做。”

  “最好能儘快挺進高能量前沿。”張闖補充說。較量不可避免,“除了歐洲的FCC,日本還可能要做ILC,國際上既有合作、也有競爭。當然,希望下一代最強對撞機依然在中國。”他笑着說。(崔 爽)

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