北京正負電子對撞機：撞出高能物理領域豐富“礦藏”

文／崔 爽

2021年5月22日，2021年全國科技活動周暨北京科技周主場活動在北京舉行，現場展出的北京正負電子對撞機模型受到關注。

4月18日，北京正負電子對撞機（BEPC）重大改造工程備用超導腔系統鑒定會在中國科學院高能物理研究所（以下簡稱高能所）召開。來自北京大學、中國科學技術大學、清華大學等單位的專家組成的鑒定專家組對備用超導腔系統這一關鍵設備進行了鑒定。

這只是它每年無數大小改造中的一次。畢竟，作為共和國第一臺大科學裝置，BEPC已經超過30歲了。用現任高能所所長、中國科學院院士王貽芳的話來說，當年大概做夢也沒想到它可以運行這么久。

“今天看來，建造BEPC是當時所能做的最好選擇，它讓中國在國際高能物理領域占領一席之地，培養(yǎng)了一支具有國際水平的隊伍，也推動了國內其他大科學裝置的建設。”他曾如此感慨，未來，BEPC還會有10年預期壽命，繼續(xù)它的科學探索。

“七下八上”終上馬

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

這是北京正負電子對撞機“七下八上”史上決定性的一筆。在那之前的8月18日，中國科學院原子能研究所原副所長張文裕等18人寫信給周恩來總理，提出發(fā)展高能物理必須建造高能加速器，建議建立我國自己的粒子物理實驗基地。

9月11日，周恩來總理復信，對高能物理研究和高能加速器的預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制研究，應該成為科學院要抓的主要項目之一。”

這一天來得殊為不易。曾獲國家最高科技獎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，我國就提出過建造高能加速器的計劃。在北京正負電子對撞機正式動工之前，高能加速器項目更是經歷了“七上七下”——一次次做出計劃、提上日程，一次次因為各種原因下馬。

在那個年代的中國，要不要建加速器、建怎樣的加速器、建成之后要用來做什么，很少人有清晰的認識。

直到上世紀80年代初，鄧小平指示方毅副總理就建造高能加速器問題，廣泛征求國內外科學家的意見，充分論證，提出方案。方毅組織了全國十幾個研究和工業(yè)部門的60多位專家進行反復論證。

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

靴子落地。1988年10月16日，北京正負電子對撞機實現正負電子對撞，在其覆蓋的能量區(qū)間內，有大量粲物理前沿研究工作可做。

撞出粲物理領域30年領先

北京正負電子對撞機位于天安門廣場向西約15公里，形似一只羽毛球拍，它由北向南臥在地下，由一臺長202米的直線加速器、一組共200米長的束流輸運線、一臺周長240米的儲存環(huán)加速器、一座高6米重700噸的大型探測器“北京譜儀”和14個同步輻射實驗站等組成。

除了2004年至2008年進行的重大改造工程以及每年大約2個月的檢修時間，正負電子幾乎一刻不停地在此對撞，產生各種粒子事例，由布設在對撞區(qū)周圍的譜儀捕捉，科學家分析這些事例，尋求科學發(fā)現。

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

高能所研究員張闖曾展示過一幅形象的漫畫，兩只小松鼠站在機器的兩頭，手中各拿著一個核桃。“把核桃往地上扔可能打不開，但讓兩個核桃高速對撞可能就能撞開。我們實際上就是要把粒子對撞打開，看里面是什么東西。速度越快、撞得越碎，越可能有所發(fā)現。”

成果說明一切。粲物理領域的絕大多數精確測量，都是BEPC的功勞：1988年10月北京正負電子對撞機建造成功，成為國際上τ-粲物理能區(qū)性能最好的對撞機，先后獲得1990年國家科技進步特等獎、2016年國家科技進步一等獎。對τ輕子的質量進行的精準測量，把原來的國際平均值修正了3倍的標準偏差，挽救了存在爭議的輕子普適性原理。2013年3月，該裝置發(fā)現四夸克物質，入選美國物理學會年度重要成果，并位列榜首。

王貽芳坦陳，BEPC的學術成果是國際學術界公認的熱點，但對社會大眾來說，似乎相隔甚遠，但是，“科學的發(fā)展都是在科學界自身進化、解決了一個一個問題之后到來的。每一個設備，每一代人，每一個實驗都作出了自己的貢獻”。

“確切無疑的收獲”

如謝家麟所寫：“BEPC成功的一個重要作用是它使我們加強了進行大科學科研工程建設能力的信心……同樣，我們的工廠也能做出世界水平的部件。BEPC儲存環(huán)的四極磁鐵用的沖模，最初為了趕進度，我們在國外訂制，同時也在所內試制，后來發(fā)現我們自己的產品在對稱性和精度上都優(yōu)于國外的。BEPC直線加速器的加速管，對加工精度和制造工藝要求極高，而我們的產品性能如此優(yōu)越，它已出口到好幾個國家，美國的幾個大實驗室都使用了我們制造的加速管，為國家創(chuàng)造了可觀的外匯。”

王貽芳同樣強調了這點，如果把BEPC的成果結集成冊，科學成果只是其中一個章節(jié)，因其而來的中國第一個電子郵件系統、制造企業(yè)技術水平的提升、人才隊伍的培養(yǎng)、國際化科研環(huán)境的建設等，都是值得大書特書的一筆。

“除了科學本身的意義之外，BEPC把大家的思想打開了，讓大家能夠走出去，看到外面的世界，跟國際一流的科學家溝通接觸。過程中，我們也有了一支在國際上叫得響的加速器建設隊伍。”王貽芳說，“科學的探索很多時候可遇不可求，但這些都是確切無疑的收獲。”

他算了一筆賬，BEPC建設費用2.4億，重大改造6.4億，加在一起8.8億，但全中國的高能物理學家已經利用它工作了30年，迄今保持1年三四十篇論文的產出，樹立了國際大科學合作的典范。

迎接高能物理的“超級對撞機”時代

只是時代在變，高能物理研究的科學目標也在變。對這個以長遠規(guī)劃為特點的學科來說，是時候思考下一個30年甚至50年的問題了。

在王貽芳看來，2019年，我國基礎研究經費為1335.6億元，占研究與發(fā)展（R&D）經費比重達到6.03%，是歷史上首次突破6%，而歐美國家的比例多年來保持在15%—20%。

以他為代表的一批科學家，正在為高能物理的“超級對撞機”時代努力。

2012年7月4日，希格斯玻色子被探測。當年9月，高能所提出建造環(huán)形正負電子對撞機—超級質子對撞機（CEPC-SppC）。

2018年11月14日，CEPC《概念設計報告》兩卷正式發(fā)布，報告包括《加速器卷》和《探測器和物理卷》。根據設計，“超級對撞機”的第一階段大型環(huán)形正負電子對撞機（即CEPC）是一個周長100多公里的“圈”，預計需要300多億元投資。有了這個能量更高、亮度大幅提升的對撞機，可以對希格斯粒子進行精確的研究。

這是國際高能物理學界的普遍共識。2020年6月，歐洲核子中心（CERN）全票通過了《歐洲粒子物理2020戰(zhàn)略》，提出基于正負電子對撞機的“希格斯工廠”是“優(yōu)先級最高的未來對撞機項目”，并期望建設能量盡可能高的質子對撞機。

王貽芳直言，經過8年討論，CERN定下來的環(huán)形對撞機方案和CEPC幾乎完全一樣，兩者之間有點“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幾十年去參加對方的研究計劃。

這是一個艱難而又必須做的決定。用王貽芳的話說，一個勇敢的決定。

“高能物理研究就是用大裝置、做大計劃，世界各地科學家都一起做研究、發(fā)文章。所以一定要想好將來要什么，提前規(guī)劃，一般都是10年準備10年建設，再加二三十年的運行。”王貽芳說，“歐核中心的大型強子對撞機是上世紀70年代規(guī)劃的產物，規(guī)劃對了，高高興興用60年。”

在高能所大廳，與周恩來總理手跡相對的另一面墻上，掛著鄧小平的一句話：在過去也好，今天也好，將來也好，中國必須發(fā)展自己的高科技，在世界高科技領域占有一席之地。那是1988年10月24日，其來視察BEPC時說的。

王貽芳看來，這正是CEPC的價值。“如果讓別人去建對撞機，那么拓展人類對自然認知范圍的技術就要永遠用別人的。我們自己不可能誕生真正原創(chuàng)的世界級成果。”他說，要在世界高科技領域占有一席之地，CEPC提供了一個標桿式的機遇。

在這位高能物理學家的設想中，CERN計劃2028年開建，如果CEPC能在2025年得到政府的明確支持，提前對方兩三年，未來，全世界的高能物理學家就將到中國的裝置上做實驗。

他透露，CEPC目前已經完成了初步的概念設計，也在一些地方做了選址和地質勘探。“因為最終結論還未明確，所以不能全速推進，但是目前在做技術準備。總體來說，我們證明沒有不可克服的困難，都是可以實現的。”

他再次“攤開賬簿”，建設CEPC需要300億元投入，如果按設計運行30年來計算，就算只有3000名高能物理學家使用，每人每年的成本是30萬，加上運行費和人員費，也不高于國內任何主要研究領域的科研投入基本水平。

更重要的是，獲得一個大型科學裝置的主導權，和在別人的設備上做實驗完全不同，“你來主導，就說明你要做所有的決定，這個決定的風險都由你來承擔。所以你必須知道這件事情的利弊，技術方案選擇的優(yōu)劣、風險，如果沒有經歷過，你根本學不到這些。”王貽芳說。

他希望中國科學家通過CEPC學到這一課，他也在為那個還未到來的“勇敢的決定”，時刻準備著。