《北京正负电子对撞机》
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31年前,在北京八宝山东麓,我国第一台大科学装置——北京正负电子对撞机（BEPC）建成.它由长202米的直线加速器、输运线、周长240米的圆形加速器（也称储存环）、高6米重650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,外形像一只硕大的羽毛球拍.
到底什么是对撞机?这个坐落在地下的庞然大物到底是做什么的?科学家用它发现了什么?
在中国科学院第十七次院士大会、中国工程院第十二次院士大会上,总书记强调：“要高度重视原始性专业基础理论突破,加强科学基础设施建设,保证基础性、系统性、前沿性技术研究和技术研发持续推进,强化自主创新成果的源头供给.要积极主动整合和利用好全球创新资源,从我国现实需求、发展需求出发,有选择、有重点地参加国际大科学装置和科研基地及其中心建设和利用.”
北京正负电子对撞机正是进行基础科学研究的大型科学装置,也许你对北京正负电子对撞机还不算了然,但它的提出、建成、升级,每一个过程都代表着我国高能物理的一步步发展,对人类了解世界的构成更是做出了杰出贡献.
命途多舛的中国加速器
上个世纪50年代初,美、苏、欧等少数工业发达国家和地区开始大力筹建高能加速器.虽然当时我国在高能物理领域与国际先进水平有很大差距,但仍希望有自己的加速器.1956年制定的《科学发展十二年远景规划》就提出“制造适当的高能加速器”的构想.然而从提出构想,到真正建设成北京正负电子对撞机,我国加速器的建成经历了颇为波折的命运.
“从一九五六年起,高能物理工作,五起五落等高能物理实验几乎一片空白,高能物理研究则全是依靠外国的实验数据等”1972年9月,由张文裕、朱洪元、谢家麟、何祚庥等18位科学家联名上书的信中写道.
70年代末,我国的高能物理研究有了长足发展.随着“派出去,引进来”,我国与欧洲核子中心建立了频繁有序的科技交流,寻求到了部分技术和设备的支持;访美期间签署了中美两国在高能物理方面进行合作的协定;在李政道的大力撮合下,第一次中美高能物理联合委员会在北京召开.还有之前建成的预制研究基地、6个实验大厅以及10GeV质子直线加速器,为后面的研制打下了基础.
因为有过经费的困难,此时,我国物理学家提出,能否制造一个规模小、便宜,但同样能做出好的物理成果的加速器?
争议声中的建造
要了解到底建一个什么样的加速器,还有必要了解一下当时世界粒子物理学的发展状况.
到上世纪60年代,物理学家已经发现了100多种粒子,他们考虑能否把这些粒子像元素周期表一样归类.1962年,美国物理学家盖尔曼发明了一种方法,可以为这些粒子（强子）归类,并且通过这种方法又预言了一个新粒子Ω-超子.美国布鲁克海文国家实验室的交变梯度同步加速器（AGS）验证了他的预言.接下来,他进一步设想原子核内的质子,是由更基本的3种粒子——夸克组成.夸克模型的成功让盖尔曼获得了1969年诺贝尔奖.虽然夸克模型并不是描述这些粒子相互作用的完整理论,但为基础物理研究开启了新的一页.
1974年,在布鲁克海文实验室工作的丁肇中团队,利用质子打铍靶,发现了一个新粒子,他命名为J粒子.
几乎同时,里克特用斯坦福直线加速器（SLAC）也发现了这个粒子,他命名为Ψ,因此这个粒子被称为J/Ψ.后来实验证明,这个粒子是由一对正反粲夸克组成的束缚态.两人的发现在物理学史中被称为“十一月”革命,人类对粒子的基本结构又有了新的认识,而与粲夸克相关的问题,所谓粲物理还在等待科学家发现.
“当时在那个能区（粒子能量的区域）有很好的物理工作,但针对这一能区的加速器性能都不太好.”中国科学院高能物理研究所研究员张闯回忆说.
中科院在1981年提出建造一台2X2.2GeV的正负电子对撞机,目标产生更多J/Ψ粒子,让我国进入高能物理的前沿研究.选择这一能区建造加速器,是经过了当时国内专家与李政道、吴健雄、袁家骝以及美国加速器专家潘诺夫斯基等人多次深入、反复论证得出的结果,而北京正负电子对撞机的立项也经过漫长磨合的过程.
BEPC 外形像一個巨大的羽毛球拍,球拍的“把”是一台长202 米的正负电子直线加速器.电子发射出的电子在加速管中不断得到加速,一部分电子束在轰击钨靶后产生正负电子束,正负电子束通过输运线注入周长为240 米的球拍“框”——储存环中,不断地积累、储存、加速、对撞.
其实,从1980年年底高能所开始讨论加速器方案时就有很大分歧.比如,用质子还是电子?我国有一定制造质子加速器的经验,而且用质子打静止靶也会发现更多的粒子,有更好的物理意义.但无论是成本还是建设难度对当时我国情况提出了极大的挑战.
即使这个电子对撞的方案有众多优势,也仍然遭到了反对：连静止打靶加速器都没完全做出来,一步登天造对撞机,我们行吗?“物理窗口”（指粲物理领域需要深入研究的空白领域）在对撞机建成后还有吗?能否实现长期稳定运行,一机两用?
1983年4月,经国务院批准,北京正负电子对撞机（BEPC）方案上马,计划4年完成.12月,党、国务院将其列入国家重点工程项目,代号8312工程.
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