我國第一臺粒子對撞機

在高能物理研究領域，BEPC是陶—粲物理能區最先進的正負電子對撞機，實時觀測基本粒子對撞產生的“碎片”，研究、探索粒子的性質和相互作用規律，發現新粒子。與此同時，這個大科學裝置還在生物、材料、物理、化學、環境、能源等科學領域發揮着重要的作用。

北京正負電子對撞機的正負電子輸運線。

北京市玉泉路上，一片灰色低矮的樓房格外靜謐，很難想象這裏就是北京正負電子對撞機（BEPC）國家實驗室。我國第一臺大科學裝置——北京正負電子對撞機坐落於中科院高能物理所，一年當中有10個月在高速運轉，目標是尋找物質深層次的結構，發現新粒子，探索宇宙的奧祕。這是全世界物理學家共同的追求，誰能發現新物理、新現象和新粒子，誰便是最大的贏家。

大裝置探索“小宇宙”

中科院高能物理所大裝置管理中心工程師何培元告訴經濟日報記者，因爲正在執行一年一度的任務——利用對撞機產生的同步輻射光開展多學科的研究，此時位於地下的儲存環隧道大門緊閉，操作人員在樓上的監控室內緊盯執行狀態。

在科學家們看來，對物質結構認識的每一個重大突破都會對社會發展產生重大影響。而對撞機等加速器的問世，開創了粒子物理的新紀元。

隨着科學技術的發展，人類對於物質結構的認知從分子、原子、原子核層次，逐步深入到更小的結構單元——輕子和夸克。已知的這些“基本”粒子是否是物質的最小單元，是否還有新粒子存在，它們的質量幾何、有啥特性……揭開這些謎題，一方面需要能產生極高能量的加速器將這些微小粒子打碎，進一步研究其微觀結構另一方面，尋找新粒子的任務，也有賴於這一“抓捕”工具。

“超級粒子大炮”，是科學家們送給北京正負電子對撞機的外號，它由4個部分組成：電子注入器、儲存環、大型粒子探測器北京譜儀、同步輻射裝置，從沙盤上看，外形像一隻碩大的羽毛球拍。

作爲見證者，中科院高能物理所研究員張闖在這座地下迷宮已工作了30年。他告訴記者，球拍的直柄部分是注入器，在這裏，電子槍發射的正負電子束流，經一臺202米長的直線加速器被加速到1.1—1.89GeV(1GeV=10億電子伏特）。球拍的圓形部分是儲存環，這是一臺周長爲240米的環形加速器，它將正負電子束流加速到光速，並加以儲存。球拍的頂端是對撞機的心臟部位——北京譜儀，在這裏，正負電子束流按相反的方向以每秒125萬圈的速度狂奔，並聚焦到大小隻有頭髮絲十分之一左右的空間內對撞，巨型機器猶如幾萬隻眼睛，實時觀測基本粒子對撞產生的“碎片”——次級粒子，並記錄相關數據。

對這些數據進一步分析、研究，探索這些粒子的性質和相互作用規律，便有可能觀測到新現象和發現新粒子。

挖掘物理研究富礦

北京正負電子對撞機呱呱墜地的那個秋天，對於86歲的中國科學院院士、中國科學院高能物理研究所原所長方守賢來說，彷彿還是昨天的事，“BEPC正式建成，從此，我國有了第一臺大科學裝置”。

在方守賢的記憶裏，北京正負電子對撞機是在“七上七下”的挫折中誕生的。我國1958年就設計出20億電子伏電子同步加速器，但在當時的形勢下，這一設計因“保守落後”被否。1960年5月，科學家完成了螺旋線迴旋加速器的初步設計，由於經濟困難，方案3年後被取消。1969年，科學家又提出了建造強流直線加速器用於探索、研究、生產核燃料的計劃，可是計劃在與另兩個方案的爭論中無疾而終……

1981年5月，中科院高能所在國內外專家學者的建議和意見的基礎上，提出了第8個方案——建造束流能量爲22億電子伏的正負電子對撞機。1984年10月7日，鄧小平同志爲北京正負電子對撞機工程奠基剷下第一鍬土。

爲何是22億電子伏一般來說，不同類型和不同能量的高能加速器服務於不同目的的粒子物理實驗，每臺加速器一般只能在一定能區工作，進行特定的物理研究。尤其是對撞機，能量可調的範圍很小，能量高的對撞機並不能代替能量低的對撞機。

之所以選擇2×22億電子伏正負電子對撞的能區，張闖解釋，電子束的能量不同時，對撞產生的粒子也不同。1.55GeV的正負電子束對撞時，會產生J/Psi粒子（由粲夸克組成的一種粲粒子）1.78GeV的正負電子束對撞時，產生陶輕子（輕子的一種，電子也是一種輕子）。透過控制對撞的電子束流的能量，BEPC就可以研究這兩種不同的粒子。這兩種粒子是BEPC的主要研究對象，它們所在的能量區域屬於陶—粲物理能區，是物理研究的富礦。

不僅如此，BEPC的投資較相同能區的質子加速器要小得多，還可以“一機兩用”——高速運轉的正負電子在軌道轉彎時會發出同步輻射光，這種光具有強度大、高度準直等優點，可以用於開展多學科的應用研究。

事實證明，這一選擇沒有錯。1992年，用於探測並記錄正負電子對撞全過程的北京譜儀，精確測量出粒子物理標準模型中的τ輕子質量，修正了以前的實驗結果，至今仍是世界上最爲精確的測量之一。

2013年3月，該裝置發現了一個新的共振結構Zc（3900），極有可能是科學家們長期尋找的“四夸克物質”。這一成果一經發布立即引發世界實驗和理論物理研究熱潮，入選美國《物理》雜誌公佈的2013年物理學領域十一項重要成果，並位列榜首。

牢牢抓住趕超機會

除了“高大上”的基礎研究領域，BEPC還在生物、材料、物理、化學、環境、能源等科學領域發揮着重要的作用。在抗擊非典的鬥爭中，一項關於藥物與非典病毒分子相互作用的研究工作就是在BEPC上完成的：中國科學院院士饒子和利用同步輻射系統在世界上率先完成了SARS病毒蛋白質DNA結構的測定，首次獲得了其蛋白酶大分子結構，得到了有效的藥物靶分子，爲研製治療SARS病毒的藥物提供了重要資訊。

如今人們觸手可及的互聯網也與BEPC有着密不可分的聯繫。1986年我國建成第一條國際計算機通信線路，1993年建成第一根國際互聯網專線，之後，建立中國第一個萬維網（WWW）網站……這一切都和BEPC直接相關。

斗轉星移，如今BEPC已走過了30個年頭。在BEPC執行研究的陶—粲物理能區，曾經有個強勁的對手——美國康奈爾大學。但是，BEPC憑藉優異的表現和升級改造打敗了它，成爲目前該能區世界唯一也是最先進的正負電子對撞機。

欣喜之餘亦有隱憂。張闖說，在高能物理研究領域，只有第一沒有第二，每個國家的加速器都有自己的實驗能區，一旦同一個能區有了競爭者，最終只能有一個勝出。

未來，BEPC壽終正寢，中國高能物理何去何從瞄準世界物理最前沿熱點——希格斯玻色子粒子研究，規劃建設更高能量的新一代對撞機環形正負電子對撞機（CEPC），這是中國高能物理學家們的新目標。中科院院士、中科院高能物理研究所所長王貽芳說，研究希格斯粒子，是通向更深層次物理的鑰匙，正好給我國的高能物理髮展提供了一個趕超、領先的絕佳機遇。一旦環形正負電子對撞機建成，中國將成爲全球高能物理研究的中心，吸引全世界最優秀的一批科學家和工程師來華工作，並作爲龍頭帶動一系列核心技術的發展，在覈物理、國防、材料、微加工、大型部件檢測等方面可以大量應用。

王貽芳透露，截至目前，新一代對撞機CEPC已完成概念設計並獲國際評審認可，經費也基本到位，預研工作全面展開。

1988年10月16日凌晨5點56分，我國第一座高能加速器——北京正負電子對撞機首次對撞成功。這是我國繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛星上天之後，在高科技領域取得的又一重大突破性成就。

中國第一臺粒子對撞機是在高能同步加速器基礎大型粒子對撞機上發展起來的一種裝置。

中國目前正在籌建新型粒子對撞機，總長度達到7萬米，造價高達300億元，實際上早在30年前，中國電子對撞機就曾經成爲世界第一，而時隔30年之後中國建造的這一對撞機又是世界第一。

自古以來人類都保持了相當高的好奇心，試圖對宇宙的本源以及身邊一切萬物的執行規律和背後的原因進行探究，而正是在這樣的好奇心的推動下，人類出現了大量的科學家，並且因此建立了大量的科學研究設施，其中位於日內瓦與法國邊境的大型強子對撞機就是典型例子，上百個國家，建設了十幾年，耗費大量資金才建成，但建成之後這座設施卻爲人類的物理學研究發揮了重要的作用，其中最爲顯著的成就，就是在2012年歐洲強子對撞機透過以光速發射粒子進行對撞發現了希格斯玻色子，並且歐洲科學家還對這一粒子進行了一系列的測量。