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北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)撞出粲物理領(lǐng)域 “超級(jí)對(duì)撞機(jī)”時(shí)代或?qū)⒌絹?lái)

2021-05-24 09:41:23 來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)

今天看來(lái)，建造BEPC是當(dāng)時(shí)所能做的最好選擇，它讓中國(guó)在國(guó)際高能物理領(lǐng)域占領(lǐng)一席之地，培養(yǎng)了一支具有國(guó)際水平的隊(duì)伍，也推動(dòng)了國(guó)內(nèi)其他大科學(xué)裝置的建設(shè)。

王貽芳中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士

4月18日，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）重大改造工程備用超導(dǎo)腔系統(tǒng)鑒定會(huì)在中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)高能所）召開(kāi)。來(lái)自北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)等單位的專(zhuān)家組成的鑒定專(zhuān)家組對(duì)備用超導(dǎo)腔系統(tǒng)這一關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行了鑒定。

這只是它每年無(wú)數(shù)大小改造中的一次。畢竟，作為共和國(guó)第一臺(tái)大科學(xué)裝置，BEPC已經(jīng)超過(guò)30歲了。用現(xiàn)任高能所所長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士王貽芳的話(huà)來(lái)說(shuō)，當(dāng)年大概做夢(mèng)也沒(méi)想到它可以運(yùn)行這么久。

“今天看來(lái)，建造BEPC是當(dāng)時(shí)所能做的最好選擇，它讓中國(guó)在國(guó)際高能物理領(lǐng)域占領(lǐng)一席之地，培養(yǎng)了一支具有國(guó)際水平的隊(duì)伍，也推動(dòng)了國(guó)內(nèi)其他大科學(xué)裝置的建設(shè)。”他曾如此感慨，未來(lái)，BEPC還會(huì)有10年預(yù)期壽命，繼續(xù)它的科學(xué)探索。

“七下八上”終上馬

走進(jìn)高能所大廳，左手墻上一行大字：這件事不能再延遲了。字是周恩來(lái)總理親筆，落款顯示1972年9月11日。

這是北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)“七下八上”史上決定性的一筆。在那之前的8月18日，中國(guó)科學(xué)院原子能研究所原副所長(zhǎng)張文裕等18人寫(xiě)信給周恩來(lái)總理，提出發(fā)展高能物理必須建造高能加速器，建議建立我國(guó)自己的粒子物理實(shí)驗(yàn)基地。

9月11日，周恩來(lái)總理復(fù)信，對(duì)高能物理研究和高能加速器的預(yù)制研究工作作出指示：“這件事不能再延遲了……高能物理研究和高能加速器的預(yù)制研究，應(yīng)該成為科學(xué)院要抓的主要項(xiàng)目之一。”

這一天來(lái)得殊為不易。曾獲國(guó)家最高科技獎(jiǎng)的高能所研究員謝家麟曾撰文回憶：從50年代后期，就曾幾度籌劃、醞釀。

早在1956年，我國(guó)就提出過(guò)建造高能加速器的計(jì)劃。在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)正式動(dòng)工之前，高能加速器項(xiàng)目更是經(jīng)歷了“七上七下”——一次次做出計(jì)劃、提上日程，一次次因?yàn)楦鞣N原因下馬。

在那個(gè)年代的中國(guó)，要不要建加速器、建怎樣的加速器、建成之后要用來(lái)做什么，很少人有清晰的認(rèn)識(shí)。

直到上世紀(jì)80年代初，鄧小平指示方毅副總理就建造高能加速器問(wèn)題，廣泛征求國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的意見(jiàn)，充分論證，提出方案。方毅組織了全國(guó)十幾個(gè)研究和工業(yè)部門(mén)的60多位專(zhuān)家進(jìn)行反復(fù)論證。

“綜合各方面意見(jiàn)，大家大體都贊成李政道、吳健雄、袁家騮及美國(guó)斯坦福直線(xiàn)加速器中心主任潘渃夫斯基等人的建議——先建造一臺(tái)2×22億電子伏特的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。”謝家麟寫(xiě)道，方案提出后，鄧小平親自批示：“我贊成加以批準(zhǔn)，不再猶豫。”

靴子落地。1988年10月16日，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)實(shí)現(xiàn)正負(fù)電子對(duì)撞，在其覆蓋的能量區(qū)間內(nèi)，有大量粲物理前沿研究工作可做。

撞出粲物理領(lǐng)域30年領(lǐng)先

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)位于天安門(mén)廣場(chǎng)向西約15公里，形似一只羽毛球拍，它由北向南臥在地下，由一臺(tái)長(zhǎng)202米的直線(xiàn)加速器、一組共200米長(zhǎng)的束流輸運(yùn)線(xiàn)、一臺(tái)周長(zhǎng)240米的儲(chǔ)存環(huán)加速器、一座高6米重700噸的大型探測(cè)器“北京譜儀”和14個(gè)同步輻射實(shí)驗(yàn)站等組成。

除了2004年至2008年進(jìn)行的重大改造工程以及每年大約2個(gè)月的檢修時(shí)間，正負(fù)電子幾乎一刻不停地在此對(duì)撞，產(chǎn)生各種粒子事例，由布設(shè)在對(duì)撞區(qū)周?chē)淖V儀捕捉，科學(xué)家分析這些事例，尋求科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

為什么要對(duì)撞？通常的解釋是，世界由一些基本粒子組成，加速器和對(duì)撞機(jī)就是最常見(jiàn)的新粒子抓捕工具。通過(guò)它們把某種粒子加速到高能，轟擊一個(gè)固定的靶或與粒子對(duì)撞，就可能發(fā)現(xiàn)新的基本粒子。

高能所研究員張闖曾展示過(guò)一幅形象的漫畫(huà)，兩只小松鼠站在機(jī)器的兩頭，手中各拿著一個(gè)核桃。“把核桃往地上扔可能打不開(kāi)，但讓兩個(gè)核桃高速對(duì)撞可能就能撞開(kāi)。我們實(shí)際上就是要把粒子對(duì)撞打開(kāi)，看里面是什么東西。速度越快、撞得越碎，越可能有所發(fā)現(xiàn)。”

成果說(shuō)明一切。粲物理領(lǐng)域的絕大多數(shù)精確測(cè)量，都是BEPC的功勞：1988年10月北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)建造成功，成為國(guó)際上τ-粲物理能區(qū)性能最好的對(duì)撞機(jī)，先后獲得1990年國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)、2016年國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。對(duì)τ輕子的質(zhì)量進(jìn)行的精準(zhǔn)測(cè)量，把原來(lái)的國(guó)際平均值修正了3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差，挽救了存在爭(zhēng)議的輕子普適性原理。2013年3月，該裝置發(fā)現(xiàn)四夸克物質(zhì)，入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)年度重要成果，并位列榜首。

王貽芳坦陳，BEPC的學(xué)術(shù)成果是國(guó)際學(xué)術(shù)界公認(rèn)的熱點(diǎn)，但對(duì)社會(huì)大眾來(lái)說(shuō)，似乎相隔甚遠(yuǎn)，但是，“科學(xué)的發(fā)展都是在科學(xué)界自身進(jìn)化、解決了一個(gè)一個(gè)問(wèn)題之后到來(lái)的。每一個(gè)設(shè)備，每一代人，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都作出了自己的貢獻(xiàn)”。

“確切無(wú)疑的收獲”

如謝家麟所寫(xiě)：“BEPC成功的一個(gè)重要作用是它使我們加強(qiáng)了進(jìn)行大科學(xué)科研工程建設(shè)能力的信心……同樣，我們的工廠(chǎng)也能做出世界水平的部件。BEPC儲(chǔ)存環(huán)的四極磁鐵用的沖模，最初為了趕進(jìn)度，我們?cè)趪?guó)外訂制，同時(shí)也在所內(nèi)試制，后來(lái)發(fā)現(xiàn)我們自己的產(chǎn)品在對(duì)稱(chēng)性和精度上都優(yōu)于國(guó)外的。BEPC直線(xiàn)加速器的加速管，對(duì)加工精度和制造工藝要求極高，而我們的產(chǎn)品性能如此優(yōu)越，它已出口到好幾個(gè)國(guó)家，美國(guó)的幾個(gè)大實(shí)驗(yàn)室都使用了我們制造的加速管，為國(guó)家創(chuàng)造了可觀(guān)的外匯。”

王貽芳同樣強(qiáng)調(diào)了這點(diǎn)，如果把BEPC的成果結(jié)集成冊(cè)，科學(xué)成果只是其中一個(gè)章節(jié)，因其而來(lái)的中國(guó)第一個(gè)電子郵件系統(tǒng)、制造企業(yè)技術(shù)水平的提升、人才隊(duì)伍的培養(yǎng)、國(guó)際化科研環(huán)境的建設(shè)等，都是值得大書(shū)特書(shū)的一筆。

“除了科學(xué)本身的意義之外，BEPC把大家的思想打開(kāi)了，讓大家能夠走出去，看到外面的世界，跟國(guó)際一流的科學(xué)家溝通接觸。過(guò)程中，我們也有了一支在國(guó)際上叫得響的加速器建設(shè)隊(duì)伍。”王貽芳說(shuō)，“科學(xué)的探索很多時(shí)候可遇不可求，但這些都是確切無(wú)疑的收獲。”

他算了一筆賬，BEPC建設(shè)費(fèi)用2.4億，重大改造6.4億，加在一起8.8億，但全中國(guó)的高能物理學(xué)家已經(jīng)利用它工作了30年，迄今保持1年三四十篇論文的產(chǎn)出，樹(shù)立了國(guó)際大科學(xué)合作的典范。

迎接高能物理的“超級(jí)對(duì)撞機(jī)”時(shí)代

只是時(shí)代在變，高能物理研究的科學(xué)目標(biāo)也在變。對(duì)這個(gè)以長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃為特點(diǎn)的學(xué)科來(lái)說(shuō)，是時(shí)候思考下一個(gè)30年甚至50年的問(wèn)題了。

在王貽芳看來(lái)，2019年，我國(guó)基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)為1335.6億元，占研究與發(fā)展（R&D）經(jīng)費(fèi)比重達(dá)到6.03%，是歷史上首次突破6%，而歐美國(guó)家的比例多年來(lái)保持在15%—20%。

以他為代表的一批科學(xué)家，正在為高能物理的“超級(jí)對(duì)撞機(jī)”時(shí)代努力。

2012年7月4日，希格斯玻色子被探測(cè)。當(dāng)年9月，高能所提出建造環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)—超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（CEPC-SppC）。

2018年11月14日，CEPC《概念設(shè)計(jì)報(bào)告》兩卷正式發(fā)布，報(bào)告包括《加速器卷》和《探測(cè)器和物理卷》。根據(jù)設(shè)計(jì)，“超級(jí)對(duì)撞機(jī)”的第一階段大型環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（即CEPC）是一個(gè)周長(zhǎng)100多公里的“圈”，預(yù)計(jì)需要300多億元投資。有了這個(gè)能量更高、亮度大幅提升的對(duì)撞機(jī)，可以對(duì)希格斯粒子進(jìn)行精確的研究。

這是國(guó)際高能物理學(xué)界的普遍共識(shí)。2020年6月，歐洲核子中心（CERN）全票通過(guò)了《歐洲粒子物理2020戰(zhàn)略》，提出基于正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的“希格斯工廠(chǎng)”是“優(yōu)先級(jí)最高的未來(lái)對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目”，并期望建設(shè)能量盡可能高的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。

王貽芳直言，經(jīng)過(guò)8年討論，CERN定下來(lái)的環(huán)形對(duì)撞機(jī)方案和CEPC幾乎完全一樣，兩者之間有點(diǎn)“君子之約”的意味，只要一方建，另一方自然放棄。放棄的一方只能在未來(lái)幾十年去參加對(duì)方的研究計(jì)劃。

這是一個(gè)艱難而又必須做的決定。用王貽芳的話(huà)說(shuō)，一個(gè)勇敢的決定。

“高能物理研究就是用大裝置、做大計(jì)劃，世界各地科學(xué)家都一起做研究、發(fā)文章。所以一定要想好將來(lái)要什么，提前規(guī)劃，一般都是10年準(zhǔn)備10年建設(shè)，再加二三十年的運(yùn)行。”王貽芳說(shuō)，“歐核中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是上世紀(jì)70年代規(guī)劃的產(chǎn)物，規(guī)劃對(duì)了，高高興興用60年。”

在高能所大廳，與周恩來(lái)總理手跡相對(duì)的另一面墻上，掛著鄧小平的一句話(huà)：在過(guò)去也好，今天也好，將來(lái)也好，中國(guó)必須發(fā)展自己的高科技，在世界高科技領(lǐng)域占有一席之地。那是1988年10月24日，其來(lái)視察BEPC時(shí)說(shuō)的。

王貽芳看來(lái)，這正是CEPC的價(jià)值。“如果讓別人去建對(duì)撞機(jī)，那么拓展人類(lèi)對(duì)自然認(rèn)知范圍的技術(shù)就要永遠(yuǎn)用別人的。我們自己不可能誕生真正原創(chuàng)的世界級(jí)成果。”他說(shuō)，要在世界高科技領(lǐng)域占有一席之地，CEPC提供了一個(gè)標(biāo)桿式的機(jī)遇。

在這位高能物理學(xué)家的設(shè)想中，CERN計(jì)劃2028年開(kāi)建，如果CEPC能在2025年得到政府的明確支持，提前對(duì)方兩三年，未來(lái)，全世界的高能物理學(xué)家就將到中國(guó)的裝置上做實(shí)驗(yàn)。

他透露，CEPC目前已經(jīng)完成了初步的概念設(shè)計(jì)，也在一些地方做了選址和地質(zhì)勘探。“因?yàn)樽罱K結(jié)論還未明確，所以不能全速推進(jìn)，但是目前在做技術(shù)準(zhǔn)備?？傮w來(lái)說(shuō)，我們證明沒(méi)有不可克服的困難，都是可以實(shí)現(xiàn)的。”

他再次“攤開(kāi)賬簿”，建設(shè)CEPC需要300億元投入，如果按設(shè)計(jì)運(yùn)行30年來(lái)計(jì)算，就算只有3000名高能物理學(xué)家使用，每人每年的成本是30萬(wàn)，加上運(yùn)行費(fèi)和人員費(fèi)，也不高于國(guó)內(nèi)任何主要研究領(lǐng)域的科研投入基本水平。

更重要的是，獲得一個(gè)大型科學(xué)裝置的主導(dǎo)權(quán)，和在別人的設(shè)備上做實(shí)驗(yàn)完全不同，“你來(lái)主導(dǎo)，就說(shuō)明你要做所有的決定，這個(gè)決定的風(fēng)險(xiǎn)都由你來(lái)承擔(dān)。所以你必須知道這件事情的利弊，技術(shù)方案選擇的優(yōu)劣、風(fēng)險(xiǎn)，如果沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)，你根本學(xué)不到這些。”王貽芳說(shuō)。

他希望中國(guó)科學(xué)家通過(guò)CEPC學(xué)到這一課，他也在為那個(gè)還未到來(lái)的“勇敢的決定”，時(shí)刻準(zhǔn)備著。

標(biāo)簽：北京正負(fù)電子超級(jí)對(duì)撞機(jī) 物理