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北京正负电子对撞机升级

2009-07-18 12:17:00 来源: 文汇报(上海) 举报
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  本报讯(首席记者任荃通讯员蒙巍)在两条狭窄的“光速跑道”内,正负电子“迎面”加速、起跑,以瞬间对撞的方式“创造”新粒子。昨天,北京正负电子对撞机重大改造工程(简称BEPCⅡ)通过了国家验收。经过改造,启建于1984年的北京正负电子对撞机顺利升级为目前国际上最先进的双环对撞机之一,在世界同类型装置中继续保持领先地位。

  BEPCⅡ总投资6.4亿元,历时5年,85%设备由我国自主研制,是国家重大科学工程中最具挑战性和创新性的项目之一。半年多的试运行表明,BEPCⅡ已成为粲物理能量区域国际领先的对撞机和高性能兼用同步辐射装置,为国际同类型科学装置的建设提供了一个值得参考的范例。

  每秒对撞1亿多次

  也就是眨眼的工夫,正负电子在改造后的对撞机里已经相撞了1亿多次!而在改造前,它们撞击的频率仅为120多万次/秒,前后相差近百倍。为何要让电子撞击的频率如此之快?“因为不是每次撞击都能产生值得研究的新发现。”BEPCⅡ工程副经理张闯说,每秒撞击1亿多次,某些出现概率极低的稀罕事儿就更有可能被“撞见”。

  张闯告诉记者,单位时间产生新粒子的数量,主要取决于对撞机的对撞亮度。目前,在1.89千兆电子伏特能量下,北京正负电子对撞机的对撞亮度相当于改造前的33倍以上,是美国康奈尔大学正负电子对撞机(CESRc)的4倍以上,在粲粒子能量区居国际领先水平。

  “跑道”一条变两条

  改造前的北京正负电子对撞机,只为正负电子设计了一条“跑道”。因此,改造工程的最初计划采用的也是单环方案——让多束电子团在一根“麻花”轨道上对撞,亮度提高一个数量级左右。

  但2001年初,康奈尔大学计划把一台原先在高能状态下运行的对撞机转到北京正负电子对撞机的工作能量区(称为CESRc)。激烈竞争之下,我国科学家大胆决定将“跑道”一分为二,采用当今世界上最先进的双环交叉对撞技术对对撞机进行改造。如今改造后,正负电子各占一条“跑道”,大角度水平对撞,对撞亮度远高于CESRc。相比之下,康奈尔大学的“短平快”方法并不成功,最终只实现了设计性能的1/5到1/8。

  将电子束的运动“跑道”一分为二,意味着BEPCⅡ将挑战空间与建设的最高难度。

  ——周长短。国际上成功的双环电子对撞机的周长一般在2公里以上,而北京正负电子对撞机的储存环周长只有240米;

  ——对撞区短。国外成功的双环对撞机上,正负电子对撞再分开的距离一般在80米左右,而北京正负电子对撞机的对撞区非常短,必须在28米内实现。

  “螺蛳壳里做道场”的另一个难度在于,必须对精度进行严格控制。据介绍,对撞机的每个储存环内分别有70个到100个电子束团以接近光速的速度向前“奔跑”,对撞时要实现六维精确控制,其中横向位置误差小于头发丝的几十分之一,纵向时间控制则要精确到万亿分之一秒。

  对撞机是干什么用的

  对撞机好比透视微观世界的“显微镜”,只是做法比较“极端”:它用高速粒子去“打碎”被测物质,记录碰撞产生的能量,搜索可能产生的新粒子。从工作原理上讲,北京电子正负对撞机与大名鼎鼎的欧洲大型强子对撞机(LHC)类似,但前者对撞的是正负电子,而后者用的是质子。

  目前,科学家们认为,构成物质世界的最基本单元是比质子还小的夸克和轻子。北京正负电子对撞机的主要研究对象就是夸克、轻子家族中的两个成员——c夸克和τ轻子。上世纪90年代以来,对撞机所在的中科院高能物理研究所先后获得了τ轻子质量精确测量、发现新共振态等重大成果,成为世界高能物理研究中心之一。

  世界上先后有近十台正负电子对撞机,其中三台工作于粲粒子能量区域。在BEPCⅡ启动之前,国外的两台因性能落后而先后关闭。BEPCⅡ建成后,将在这一能量区域继续保持领先地位。

  作者:任荃;蒙巍

  

netease 本文来源:文汇报 责任编辑:王晓易_NE0011
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