在高能物理研究領(lǐng)域，BEPC是陶—粲物理能區(qū)最先進(jìn)的正負(fù)電子對撞機(jī)，實時觀測基本粒子對撞產(chǎn)生的“碎片”，研究、探索粒子的性質(zhì)和相互作用規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新粒子。與此同時，這個大科學(xué)裝置還在生物、材料、物理、化學(xué)、環(huán)境、能源等科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用
北京市玉泉路上，一片灰色低矮的樓房格外靜謐，很難想象這里就是北京正負(fù)電子對撞機(jī)（BEPC）國家實驗室。我國第一臺大科學(xué)裝置——北京正負(fù)電子對撞機(jī)坐落于中科院高能物理所，一年當(dāng)中有10個月在高速運轉(zhuǎn)，目標(biāo)是尋找物質(zhì)深層次的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)新粒子，探索宇宙的奧秘。這是全世界物理學(xué)家共同的追求，誰能發(fā)現(xiàn)新物理、新現(xiàn)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(jīng)濟(jì)日報記者，因為正在執(zhí)行一年一度的任務(wù)——利用對撞機(jī)產(chǎn)生的同步輻射光開展多學(xué)科的研究，此時位于地下的儲存環(huán)隧道大門緊閉，操作人員在樓上的監(jiān)控室內(nèi)緊盯運行狀態(tài)。
在科學(xué)家們看來，對物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識的每一個重大突破都會對社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響。而對撞機(jī)等加速器的問世，開創(chuàng)了粒子物理的新紀(jì)元。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知從分子、原子、原子核層次，逐步深入到更小的結(jié)構(gòu)單元——輕子和夸克。已知的這些“基本”粒子是否是物質(zhì)的最小單元，是否還有新粒子存在，它們的質(zhì)量幾何、有啥特性……揭開這些謎題，一方面需要能產(chǎn)生極高能量的加速器將這些微小粒子打碎，進(jìn)一步研究其微觀結(jié)構(gòu)；另一方面，尋找新粒子的任務(wù)，也有賴于這一“抓捕”工具。
“超級粒子大炮”，是科學(xué)家們送給北京正負(fù)電子對撞機(jī)的外號，它由4個部分組成：電子注入器、儲存環(huán)、大型粒子探測器北京譜儀、同步輻射裝置，從沙盤上看，外形像一只碩大的羽毛球拍。
作為見證者，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，在這里，電子槍發(fā)射的正負(fù)電子束流，經(jīng)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(huán)，這是一臺周長為240米的環(huán)形加速器，它將正負(fù)電子束流加速到光速，并加以儲存。球拍的頂端是對撞機(jī)的心臟部位——北京譜儀，在這里，正負(fù)電子束流按相反的方向以每秒125萬圈的速度狂奔，并聚焦到大小只有頭發(fā)絲十分之一左右的空間內(nèi)對撞，巨型機(jī)器猶如幾萬只眼睛，實時觀測基本粒子對撞產(chǎn)生的“碎片”——次級粒子，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。
對這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析、研究，探索這些粒子的性質(zhì)和相互作用規(guī)律，便有可能觀測到新現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)新粒子。
挖掘物理研究富礦
北京正負(fù)電子對撞機(jī)呱呱墜地的那個秋天，對于86歲的中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院高能物理研究所原所長方守賢來說，仿佛還是昨天的事，“BEPC正式建成，從此，我國有了第一臺大科學(xué)裝置”。
在方守賢的記憶里，北京正負(fù)電子對撞機(jī)是在“七上七下”的挫折中誕生的。我國1958年就設(shè)計出20億電子伏電子同步加速器，但在當(dāng)時的形勢下，這一設(shè)計因“保守落后”被否。1960年5月，科學(xué)家完成了螺旋線回旋加速器的初步設(shè)計，由于經(jīng)濟(jì)困難，方案3年后被取消。1969年，科學(xué)家又提出了建造強(qiáng)流直線加速器用于探索、研究、生產(chǎn)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(nèi)外專家學(xué)者的建議和意見的基礎(chǔ)上，提出了第8個方案——建造束流能量為22億電子伏的正負(fù)電子對撞機(jī)。1984年10月7日，鄧小平同志為北京正負(fù)電子對撞機(jī)工程奠基鏟下第一鍬土。
為何是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(wù)于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(qū)工作，進(jìn)行特定的物理研究。尤其是對撞機(jī)，能量可調(diào)的范圍很小，能量高的對撞機(jī)并不能代替能量低的對撞機(jī)。
之所以選擇2×22億電子伏正負(fù)電子對撞的能區(qū)，張闖解釋，電子束的能量不同時，對撞產(chǎn)生的粒子也不同。1.55GeV的正負(fù)電子束對撞時，會產(chǎn)生J/Psi粒子（由粲夸克組成的一種粲粒子）；1.78GeV的正負(fù)電子束對撞時，產(chǎn)生陶輕子（輕子的一種，電子也是一種輕子）。通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(qū)域?qū)儆谔铡游锢砟軈^(qū)，是物理研究的富礦。
不僅如此，BEPC的投資較相同能區(qū)的質(zhì)子加速器要小得多，還可以“一機(jī)兩用”——高速運轉(zhuǎn)的正負(fù)電子在軌道轉(zhuǎn)彎時會發(fā)出同步輻射光，這種光具有強(qiáng)度大、高度準(zhǔn)直等優(yōu)點，可以用于開展多學(xué)科的應(yīng)用研究。
事實證明，這一選擇沒有錯。1992年，用于探測并記錄正負(fù)電子對撞全過程的北京譜儀，精確測量出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的τ輕子質(zhì)量，修正了以前的實驗結(jié)果，至今仍是世界上最為精確的測量之一。
2013年3月，該裝置發(fā)現(xiàn)了一個新的共振結(jié)構(gòu)Zc（3900），極有可能是科學(xué)家們長期尋找的“四夸克物質(zhì)”。這一成果一經(jīng)發(fā)布立即引發(fā)世界實驗和理論物理研究熱潮，入選美國《物理》雜志公布的2013年物理學(xué)領(lǐng)域十一項重要成果，并位列榜首。
牢牢抓住趕超機(jī)會
除了“高大上”的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，BEPC還在生物、材料、物理、化學(xué)、環(huán)境、能源等科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。在抗擊非典的斗爭中，一項關(guān)于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(xué)院院士饒子和利用同步輻射系統(tǒng)在世界上率先完成了SARS病毒蛋白質(zhì)DNA結(jié)構(gòu)的測定，首次獲得了其蛋白酶大分子結(jié)構(gòu)，得到了有效的藥物靶分子，為研制治療SARS病毒的藥物提供了重要信息。
如今人們觸手可及的互聯(lián)網(wǎng)也與BEPC有著密不可分的聯(lián)系。1986年我國建成第一條國際計算機(jī)通信線路，1993年建成第一根國際互聯(lián)網(wǎng)專線，之后，建立中國第一個萬維網(wǎng)（WWW）網(wǎng)站……這一切都和BEPC直接相關(guān)。
斗轉(zhuǎn)星移，如今BEPC已走過了30個年頭。在BEPC運行研究的陶—粲物理能區(qū)，曾經(jīng)有個強(qiáng)勁的對手——美國康奈爾大學(xué)。但是，BEPC憑借優(yōu)異的表現(xiàn)和升級改造打敗了它，成為目前該能區(qū)世界唯一也是最先進(jìn)的正負(fù)電子對撞機(jī)。
欣喜之余亦有隱憂。張闖說，在高能物理研究領(lǐng)域，只有第一沒有第二，每個國家的加速器都有自己的實驗?zāi)軈^(qū)，一旦同一個能區(qū)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(zhǔn)世界物理最前沿?zé)狳c——希格斯玻色子粒子研究，規(guī)劃建設(shè)更高能量的新一代對撞機(jī)環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)（CEPC），這是中國高能物理學(xué)家們的新目標(biāo)。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發(fā)展提供了一個趕超、領(lǐng)先的絕佳機(jī)遇。一旦環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)建成，中國將成為全球高能物理研究的中心，吸引全世界最優(yōu)秀的一批科學(xué)家和工程師來華工作，并作為龍頭帶動一系列核心技術(shù)的發(fā)展，在核物理、國防、材料、微加工、大型部件檢測等方面可以大量應(yīng)用。
王貽芳透露，截至目前，新一代對撞機(jī)CEPC已完成概念設(shè)計并獲國際評審認(rèn)可，經(jīng)費也基本到位，預(yù)研工作全面展開。