我國(guó)首個(gè)大科學(xué)裝置運(yùn)行30余年 北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)領(lǐng)跑世界最前沿

北京譜儀Ⅲ實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組發(fā)言人、中科院高能物理所研究員李海波（右）與北京譜儀Ⅲ實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組聯(lián)合發(fā)言人、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授呂曉睿（左）在北京譜儀對(duì)撞區(qū)查看設(shè)備情況。 本報(bào)記者 和冠欣攝

(資料圖片僅供參考)

自天安門(mén)廣場(chǎng)一路向西，復(fù)興路北側(cè)，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所院內(nèi)，一座形如羽毛球拍的建筑就是北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的所在地。這是我國(guó)首個(gè)大科學(xué)裝置，也是我國(guó)第一座高能加速器。運(yùn)行30余年間，幾乎每秒都有上千個(gè)粒子在其中高速奔跑、對(duì)撞、湮滅。大型探測(cè)器北京譜儀Ⅲ則是對(duì)撞機(jī)的“眼睛”，“目不轉(zhuǎn)睛”地記錄著每個(gè)粒子的飛行軌跡。

“這些帶電粒子的軌跡，就像流星雨劃過(guò)天際。”北京譜儀Ⅲ實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組發(fā)言人、中科院高能物理所研究員李海波緊盯譜儀控制室大屏幕上顯示出的單事例粒子軌跡，生動(dòng)地描述。每年的11月到次年6月，是北京譜儀Ⅲ最忙碌的時(shí)段——譜儀將連續(xù)收集數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的對(duì)撞數(shù)據(jù)。

從正面看，北京譜儀Ⅲ的主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)正八面體。經(jīng)過(guò)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的加速，接近光速的正電子和負(fù)電子分別從兩側(cè)飛入，并在譜儀的正中區(qū)域完成對(duì)撞。隨后，帶電粒子將在我國(guó)單體最大的超導(dǎo)磁體作用下，在1萬(wàn)高斯的均勻磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不同種類(lèi)的粒子隨即飛往不同方向。

這個(gè)過(guò)程就像在微觀(guān)世界打臺(tái)球。每個(gè)粒子的產(chǎn)生發(fā)生在飛米級(jí)尺度內(nèi)——這一單位比納米還要小100萬(wàn)倍。而成人一根頭發(fā)的直徑大約是6萬(wàn)納米。

緊盯“臺(tái)球賽”的一舉一動(dòng)，是北京譜儀Ⅲ的重要作用。“建設(shè)譜儀時(shí)，我們要用4萬(wàn)多根電纜線(xiàn)把每個(gè)子探測(cè)器信息傳送到中央控制臺(tái)。”李海波解釋?zhuān)灰b置內(nèi)出現(xiàn)對(duì)撞事件，譜儀內(nèi)的探測(cè)器就會(huì)以最快幾十皮秒級(jí)的時(shí)間分辨率，拍下粒子飛行的詳細(xì)軌跡。

自1988年10月16日，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)首次對(duì)撞成功至今，裝置多次升級(jí)。除工程改造及檢修時(shí)間外，這里的粒子撞擊一刻不停。作為當(dāng)前國(guó)際上唯一一臺(tái)運(yùn)行在20億至50億電子伏特能區(qū)的高能粒子對(duì)撞機(jī)，它產(chǎn)出了粲物理領(lǐng)域絕大多數(shù)的精確測(cè)量成果——在世界最權(quán)威的粒子數(shù)據(jù)表上，北京譜儀合作組測(cè)量的數(shù)據(jù)超過(guò)了1000項(xiàng)。

“譜儀的在線(xiàn)數(shù)據(jù)獲取能力能夠支持每秒處理6000個(gè)有效對(duì)撞事例。”北京譜儀Ⅲ實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組聯(lián)合發(fā)言人、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授呂曉睿介紹，每年，譜儀系統(tǒng)后臺(tái)收集的數(shù)據(jù)總量有上百萬(wàn)億字節(jié)，需要上萬(wàn)個(gè)中心處理器同時(shí)展開(kāi)數(shù)據(jù)處理。合作組的軟件組研究人員要用大約一年的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，才能真正提供給科研人員開(kāi)展后續(xù)研究。

這些數(shù)據(jù)共享給來(lái)自16個(gè)國(guó)家、84個(gè)研究機(jī)構(gòu)的500余位科研人員。北京譜儀實(shí)驗(yàn)擁有目前國(guó)內(nèi)正在運(yùn)行的最大國(guó)際合作組。利用裝置產(chǎn)出的科研數(shù)據(jù)，科研合作組已發(fā)表了500余篇高水平科研論文。

今年6月，裝置“撞”出的一項(xiàng)成果登上了《自然》雜志?？蒲泻献鹘M利用北京譜儀Ⅲ收集的13億個(gè)J/psi粒子衰變事例，完整干凈地重建出7萬(wàn)余個(gè)處于量子相干狀態(tài)的正反科西超子對(duì)，完成了世界上最精確的正反科西超子衰變參數(shù)和不對(duì)稱(chēng)性測(cè)量。目前，北京譜儀Ⅲ歷時(shí)4個(gè)月完成了約100億個(gè)J/psi粒子的獲取，科研人員期待進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)量的精度。

李海波自豪地說(shuō)：“我們已經(jīng)站在了世界的最前沿。在這個(gè)能區(qū)，國(guó)際上沒(méi)有第二臺(tái)同類(lèi)型的裝置。”預(yù)計(jì)到2024年，北京譜儀將再升級(jí)。“物理研究又會(huì)開(kāi)辟出一片新的、從沒(méi)有任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)研究過(guò)的領(lǐng)域。”呂曉睿說(shuō)。

記者手記

在北京譜儀Ⅲ控制室采訪(fǎng)的過(guò)程中，一連串高深的名詞理解起來(lái)頗具挑戰(zhàn)。科研人員說(shuō)，高能物理是典型的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，對(duì)于未知的探索，是推動(dòng)科技發(fā)展的根本源動(dòng)力，只有在基礎(chǔ)研究中取得突破，重大的技術(shù)創(chuàng)新才能有穩(wěn)固的支點(diǎn)。

30余年間，無(wú)言中誕生出最閃亮的火花?？蒲腥藛T用心呵護(hù)著北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和北京譜儀，不斷升級(jí)裝置。

北京譜儀控制室跳動(dòng)的數(shù)據(jù)，是科研人員潛心基礎(chǔ)研究的一個(gè)縮影。近年來(lái)，北京的大科學(xué)裝置建設(shè)加速，高能同步輻射光源、極端綜合條件實(shí)驗(yàn)裝置等一批國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施接連落地北京懷柔科學(xué)城，將加快推動(dòng)世界級(jí)原始創(chuàng)新承載區(qū)建設(shè)。具有世界先進(jìn)水平的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施群，將提升我國(guó)在交叉前沿領(lǐng)域的源頭創(chuàng)新能力和科技綜合實(shí)力，為超前探索提供實(shí)證和珍貴數(shù)據(jù)。

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