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                    學姐帶你看大科學裝置——北京正負電子對撞機

                    圖文:熱點內容

                    導語:前兩天,栗子學姐有幸參觀了位于中國高能物理研究所內的“北京正負電子對撞機”,并且在幽默帥氣的于程輝研究員的講解下,認識到咱們的這個大科學裝置有多牛。這個普通人難得一見的裝置,栗子可是拍攝到了不少一手照片,機會難得,一起來看看吧!

                    北京正負電子對撞機(以下簡稱BEPC)是我國第一個大科學裝置,坐落在北京市石景山區玉泉路上的中國高能物理研究所園區內,大部分結構位于地下。正所謂大隱隱于市,這個國之重器的所在地在北京這座繁華的城市內一點都不起眼,看起來樸實無華,但卻散發著寧靜而莊重的氣息。

                    外景(實拍)

                    在正式介紹BEPC之前,先來簡單說說正負電子對撞機是干嘛用的吧。我們知道,無盡的求知欲是人類區別于其他動物的重要特征。從古至今,人類一直在思考和探索:世界萬物是由什么構成的?組成物質的基本單位、基本結構是什么?或者說,物質世界的終極本原是什么?

                    從公元前400多年古希臘人提出原子論開始,到如今,二十多個世紀過去了,我們對物質基本結構的認識,已經從原子、分子深入到了電子、質子、中子、夸克、輕子等??淇?、輕子是比質子還小的粒子,但是它們是不是就是最基本的粒子了呢?它們的質量、結構、性質是怎樣的?這些都需要進一步的研究。

                    而這類研究,就要用到對撞機這種科學裝置。對撞機把電子等已知的粒子加速到接近光速,然后使之發生碰撞,然后利用探測儀探測碰撞后產生的粒子并記錄相關數據,再由科學家對數據進行分析、研究,探索這些粒子的性質和相互作用規律,進而有可能發現未知的新粒子。

                    北京正負電子對撞機控制中心所在大樓(實拍)

                    BEPC主要通過正負電子對撞來研究t輕子(輕子的一種,電子也是一種輕子)和J/Psi粒子(1974年科學家發現的一種能量約為31億電子伏特的新粒子,是由夸克組成的一種粲粒子)。栗子學姐知道這兩個名字肯定令大多數讀者頭疼,沒關系,不用深究這兩種粒子到底是什么,咱們普通人只需要知道這是輕子、夸克家族中的兩個成員就好了。

                    BEPC占地50000平方米,由注入器、儲存環、北京譜儀和同步輻射裝置等幾部分組成,整體外觀像一個乒乓球拍。球拍的直柄部分是注入器,一臺200米長的直線加速器,用于為儲存環提供能量為1.1-1.89GeV(1GeV=10億電子伏特)的正負電子束。球拍的圓形部分是儲存環,是一臺周長為240米的環形加速器,它將電子束加速到需要的能量,并加以儲存。正負電子束的對撞點在儲存環的南側,那里有由一臺大型粒子探測器——北京譜儀。同步輻射裝置則是BEPC的另一個重要應用平臺,為各個學科的科學家利用電子束產生的同步輻射光進行相關實驗研究提供服務。

                    栗子學姐跟隨研究員從這里進入BEPC的地下區域(實拍)

                     

                    儲存環局部(實拍)

                    儲存環局部(實拍)

                    上文說了,BEPC可以提供一定能量范圍內的正負電子束。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;1.89GeV的正負電子束對撞時,產生t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。這兩種粒子就是BEPC主要研究的粒子,所在的能量區域被稱為t-粲能區。

                    在BEPC運行、研究的t-粲能區,曾經還有美國康奈爾大學這個競爭對手。但是,BEPC憑借優異的表現和升級改造打敗了它,成為該能區目前世界唯一、當然也是世界最先進的正負電子對撞機。

                    直線加速器局部(實拍)

                    BEPC從1984年開始動工建設,1988年10月建成,建成運行后,取得了許多世界級的研究成果。比如,1992年,我國高能物理學家利用BEPC精確測量了t輕子的質量,把當時世界上t輕子的測量精度提高了7倍……我國科學家們取得的成就,令大洋彼岸的美國人眼紅。

                    當時,美國康奈爾大學的正負電子對撞機(CESR)的工作能區在10GeV左右,在看到我們的BEPC取得了如此豐碩的成果之后,康奈爾的科學家于2001年初決定對他們的CESR進行改造,將其能區下調到與BEPC一樣的t-粲能區(3-5GeV)。等到他們改造完成,將直接和BEPC產生競爭。而高能物理研究領域的競爭是殘酷的,因為對基本粒子等的研究,比的就是誰能先人一步發現新粒子,或者誰能更精確的測量粒子的性質、結構。在同一個能區,如果有多個對撞機,就意味著它們必然有優劣之分,而只有最優秀的那個才能勝出,其余都會被淘汰。

                    對撞區,探測器部分(實拍)

                    探測器部分(圖片來源:BEPC官網)

                    中國高能物理研究所的科學家們在得知康奈爾大學的計劃后,雖然擔心焦慮,但并沒有灰心。他們迎難而上,對之前已有的BEPC改造方案進行了重大調整。原本的BEPC是單環對撞機,只有一個儲存環,正電子束和負電子束都在這個儲存環里進行加速。新的改造方案則采用了雙環方案,正、負電子束在彼此獨立的儲存環中加速、儲存,這樣能大幅提高對撞亮度(即單位時間內、單位反應截面上對撞產生的粒子數目),簡單來說,就是大幅提高了我們所要研究的粒子的生產效率,有利于在與康奈爾大學的競爭中取得領先。

                    從單環到雙環的改造工程任務非常艱巨,需要克服許多儀器制造技術和工程技術上的難題,如低溫超導設備、接近外太空的真空度的真空設備、超導腔系統制造等等,很多都是當時中國未掌握的高精尖技術??梢哉f,BEPC改造工程是我國重大科學工程中最具挑戰性和創新性的項目之一。

                    同步輻射裝置(圖片來源:BEPC官網)

                    但是不論什么難題,都沒有難倒我們的科學家和工程師們。從2004年改造工程開始后到2009年7月通過國家驗收,他們通力合作,攻克了一個又一個技術關卡,既圓滿完成了BEPC升級改造工程,又附帶掌握了許多高精尖技術,為之后的工業應用奠定了基礎。這次栗子學姐參觀、拍攝的就是升級改造后的第二代北京正負電子對撞機(BEPCII),它的對撞亮度約是改造后的康奈爾大學對撞機的10倍。正因為BEPCII的性能如此優異,在它建成運行后不久,康奈爾大學的正負電子對撞機就終止了運行,在這場競爭中認輸、退出了。

                    BEPCII投入運行后,在高能物理領域和多學科的同步輻射研究領域都取得了許多重大成果。鑒于高能物理領域的研究太抽象,栗子學姐在這里就不舉例了,只講一個利用BEPCII的同步輻射裝置完成的有趣的科學發現。

                    2016年12月8日,著名生物學期刊《當代生物學》上刊登的一篇論文引發了國際古生物學術界的震動。這篇論文介紹了由中國地質大學(北京)的邢立達教授和加拿大薩斯喀徹溫省皇家博物館的麥凱勒教授領銜的考古項目的研究成果,他們在一塊琥珀中發現了恐龍化石。這是人類有史以來第一次在琥珀中發現恐龍化石。

                    這塊琥珀中的恐龍化石是恐龍的尾部,尾部的羽毛清晰可見、細節豐富。當時,獲得這塊琥珀的邢立達教授雖然辨識出這是動物化石,但并不能確定它究竟是來自什么動物,是古鳥類還是非鳥恐龍?由于化石包裹在琥珀內部,包裹在9900萬年前白堊紀中期的熱帶叢林分泌的樹脂形成的化石中,無法完整地剝離開來,科學家們必須采取無損的方法去進行分析研究。如何進行無損分析呢?BEPCII的北京同步輻射裝置(BSRF)就派上了大用場。

                    利用該裝置,就像給人做CT、照X光一樣,科學家們對這塊化石進行了無損成像,得到了隱藏在羽毛內部的尾部椎骨的高質量投影圖像,進而構建出尾部的高清3D形態。根據無損成像結果,科學家們最終認定這是一段來自非鳥恐龍的尾巴,并推演出它屬于一只全長只有18.5厘米的小恐龍??茖W家們給這只恐龍取名叫“伊娃”。

                    怎么樣,是不是突然覺得BPEC不是高冷的粒子物理學專享的高端裝置了?事實上,不論改造前還是改造后,BPEC都是一臺t-粲能區國際領先的對撞機和高性能的兼用同步輻射裝置。它的同步輻射裝置,向全國研究所和高校用戶開放,可以提供真空紫外至硬X光,服務于眾多學科的科學研究,如材料科學、生物科學、化學、醫學、環境科學、地質學等等,為諸多重大研究成果做出過貢獻。

                    2017年1月,在人民大會堂舉行的2016年度國家科學技術獎勵大會上,“北京正負電子對撞機重大改造工程”獲得國家科學技術進步一等獎,收獲了我國科技界的最高禮贊,可謂實至名歸。

                     

                     

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