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北京西郊,有个大家伙 !(上)

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导语


中科院高能物理所科研人员在安装完成的北京谱仪端面签名留念

图片来源:中国科学院高能物理研究所网站

2007年11月,在北京长安街以西的地下隧道内,北京谱仪Ⅲ(BESⅢ)安装工作圆满收官。按照大型探测装置落成的传统,科研人员纷纷在探测器外层端盖板上签下名字。一枚枚签名,是参与国家重大科技工程的印记,更是属于整个团队的荣耀见证。

一个个名字凝聚起当下的喜悦,也让我们回望初心。早在多年以前,第一代北京谱仪的诞生,就已开启了这段逐梦粒子物理的征程。

北京西郊,有个大家伙

1988年深秋,北京西郊玉泉路附近,一台重500多吨的大家伙——第一代北京谱仪(BESⅠ),正式安装到刚刚建成的北京正负电子对撞机上。当年10月24日,对撞机顺利竣工并实现首次正负电子对撞。这台机器有个名字——北京谱仪,代号BES-I。它是中国人自己造的第一台大型粒子物理探测器。


北京正负电子对撞机(BEPC)的总体简图。北京正负电子对撞机(BEPC)由注入器、输运线、储存环、北京谱仪(BES)和同步辐射装置(BSRF)几部分组成。

图片来源:中国科学院高能物理研究所网站

在它出现之前,中国的高能物理学家们过的是另一种日子。他们坐在国外的实验室里,看别人的数据,用别人的设备,在别人主导的文章上挂个名字。科研上处处受制于人:没有自己的加速器,就没有自己的数据。没有自己的数据,就什么都做不了。你能发什么文章、能研究什么问题、能在国际上说什么话,全都取决于别人给不给你数据。

这件事,急不得,但也等不得。

【补充阅读】

要理解BES-I,得先搞明白:高能物理是什么?

你有没有想过,这个世界最小的东西是什么?不是原子,不是电子,是比它们还小亿万倍的夸克。我们日常接触的一切——桌子、椅子、空气、水,拆到最后都是原子。原子再拆,是原子核和电子。原子核再拆,是质子和中子。质子和中子再拆,就是夸克。

高能物理通过加速粒子并实现高能对撞,探索基本粒子的性质、相互作用,以及物质、能量和时空的深层规律。


LHC铅离子对撞实验,产生了大量新的物质

图片来源:中国科学院高能物理研究所网站

目前人类最精确的理论叫“标准模型”,描述了61种基本粒子和三种基本力……围绕这一理论的发现,已斩获十余项诺贝尔奖,可以说是人类文明目前最漂亮的科学理论之一。欧洲的大型强子对撞机,质心能量13.6TeV,相当于把1万亿伏电压加在1米距离上,让一个电子走过去所获得的能量。就是在这种极端条件下,标准模型预言的粒子才会一个一个被"撞"出来。

而这些诺奖成果,当时都与中国无关。一个文明在最深层认识自然的能力,决定了它在整个科技版图上的位置。标准模型预言了61种基本粒子,其中绝大多数已被实验证实,实验是检验理论、发现新粒子的关键。而做实验,需要加速器,需要探测器,需要数据。

二十世纪七十年代那批科学家想明白了这件事:再不动手,就彻底被挡在门外了。不是少发几篇论文的事,是在人类认知最深层的那张桌子上,连座位都没有。

1984年,中国决定建设自己的正负电子对撞机和探测器。当时有一个很现实的考量:建设对撞机所需的计算机等设备,不在国际禁运清单上。这是一个难得的窗口期。借基础科研打开局面,争取在国际学术舞台上的话语权,也是当时的一个重要考量。

说是决定,做起来远比想象中难。

BEPC的建设从1984年动工,中间经历了无数次方案调整、技术攻关和经费拉锯。探测器的设计更是从零开始——当时中国连一台像样的大型粒子探测器都没造过,很多关键技术要从头摸索。磁铁怎么绕,探测器怎么排布,电子学系统怎么搭,全是一片空白。

但就是这帮人,一点一点把它啃下来了。1988年10月,BES-I建成。1989年春天,它正式开始取数。


1989年6月22日,北京谱仪首次测量到J/ψ共振峰.

图片来源:中国科学院高能物理研究所网站

BES-I到底长什么样?

它像一个巨大的洋葱,一层套一层,每一层都有自己的任务。最里面是顶点室和主漂移室。带电粒子飞过的时候,会在这些探测器上留下痕迹,物理学家根据痕迹算出粒子的轨迹,再算出动量。往外一层是飞行时间计数器,测粒子飞了多久。飞得快的和飞得慢的,往往是不同的粒子,所以这个数据能帮物理学家判断粒子的种类。再往外是簇射计数器,专门测能量——粒子撞进来,能量被吸收,转化成电信号,物理学家就知道这个粒子带了多少能量。最外面是μ子鉴别器,专门抓那些穿透力极强的μ子。别的层都挡不住它,只有这一层能抓住它。

整个谱仪被一个螺旋线磁铁包住,提供磁场。带电粒子在磁场里会拐弯,往左拐的和往右拐的,就能分出正电荷和负电荷。亮度监测器则在一旁盯着对撞机的碰撞频率,确保数据质量。

【补充阅读】

为什么选在τ-粲能区运行?

这个能量范围有一堆重要的物理问题等着回答:τ轻子的性质、粲强子的能谱、R值的精确测量——这些都是当时国际上最前沿的课题。欧洲和美国的实验在别的能区做得很好,但τ-粲能区恰好是一个空白。中国人选这个位置,等于选了一条别人没走的路。

北京谱仪的整个装置长约6米,高和宽各7米,重500多吨。1990年,它拿了国家科技进步特等奖。

其工作原理说起来也不复杂:正负电子在中心对撞,炸出一堆新粒子。这些粒子向四面八方飞出去,穿过一层又一层探测器。BES-I把它们的轨迹、能量、种类全部记下来。物理学家再从这些数据里找规律,看看有没有新粒子,看看已知粒子的性质是不是跟理论预言一致。

你可以把它理解成一台超级“相机”,只不过它拍的不是风景,是比原子还小亿万倍的基本粒子。

运行初期四年里,BES-I便积累了上亿次对撞数据。谁也没想到,这些数据后来会改变世界粒子物理的几张重要图表。

未完待续


初代谱仪圆满完成了开荒拓土的使命,但探索微观粒子的征途从未停歇。随着设备逐步老化,科研团队开启了新一轮技术攻坚,北京谱仪二代、三代相继登场,持续刷新我国高能物理的科研高度。

下篇,我们继续跟随谱仪迭代的脚步,见证中国高能物理从站稳脚跟,到领跑国际前沿的逐梦之路。

参考文献


《中国科学报》2019-09-09第1版

《中国大百科全书》第三版网络版

中国科学院高能物理研究所网站

中国核技术网


图片来源



《科技文物里的中国》

组编:中国科学家博物馆组编

出版单位:中国科学技术出版社

出版时间:2026年2月




微信号丨大美科学

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