探秘北京正负电子对撞机

从古至今,人类就一直对未知的事物充满好奇。在微观世界中,人类已知的物质结构包括分子、原子、原子核、质子、夸克,那是否还会有更小的单元呢?近百年来,人们一直在探究着物质微观世界的最小构成单元。科学家发现,如果想探索物质的微观结构,就要先把它打碎,而“打碎”这些物质结构的工具,就是加速器。

正负电子对撞机,是一个产生、加速、储存正负电子并使其对撞的大型加速器,它将正负电子加速到光速,使正负电子在对撞点对撞并产生次级粒子,这些次级粒子成为高能物理研究的对象。

高能物理研究所是目前世界六大高能物理实验研究中心之一,位于北京玉泉路科教园区的大科学装置——北京正负电子对撞机,是我国第一台高能加速器,它属于高能物理研究领域的重大科技基础设施。然而,北京正负电子对撞机的建造却是一波三折。

1972年8月,以张文裕同志为首的18位科技工作者向周恩来总理写信,在信中迫切希望能够发展中国自己的高能物理研究。同年9月11日,周恩来给他们回信,表示“这件事不能再延迟了。科学院必须把基础科学和理论研究抓起来,同时又要把理论研究与科学实验结合起来。高能物理研究和高能加速器的预制研究、应该成为科学院要抓的主要项目之一。”

1973年2月,中国科学院高能物理研究所正式成立。1984年10月7日,北京正负电子对撞机正式破土动工,耗资2.4亿元。这对于当时刚刚起步的中国还是相当的困难,但为发展我国自己的科学装置,我国毅然选择冲破万难继续动工。而正是北京正负电子对撞机的建设成功,才使得我国在国际高能物理研究领域,抢占了一席之地。

北京正负电子对撞机位于中国科学院高能物理研究所地下,其外形类似于一个羽毛球拍,主要由注入器、储存环、北京谱仪和北京同步辐射装置四大部分组成。这个巨大“羽毛球拍”的球拍把位置就是长202米的直线加速器,球拍框即是周长240米的环形加速器,即储存环,北京谱仪位于球拍的顶端,高6米,重500吨,而同步辐射装置,则位于储存环的周围。那么这样一个巨大的装置,又是如何打碎粒子的呢?

正负电子对撞机的工作原理就像两辆车在不同的轨道相向行驶,不停的加速,当速度达到接近光速时,调整轨道,使得其在指定位置对撞,就会产生大量的碎片,而这些碎片,就是物理学家们所要研究的次级粒子。

在北京正负电子对撞机直线加速器的前端,有一台热阴极电子枪,首先,电子枪产生电子束,并将它注入加速管中进行加速,当电子束被加速到240兆电子伏时,它将轰击一个约1厘米厚的钨转换靶,就会在靶后得到正负电子对,再将正电子聚集,收集起来加速,就得到高能量的正电子束,当需要负电子时,就把这个钨转换靶提起来,电子束流就会被加速到与正电子相同的能量。之后,正负电子束通过输运线进入储存环中。储存环分为正电子环和负电子环,平行放置,每个环内都有一个超导高频腔向束流补充因同步辐射损失的能量,使正负电子保持在稳定的轨道上运动。当正负电子束流积累到足够高的流强时,就让正负电子束流开始对撞。

两团粒子都是以光速沿着相反的方向运动,这个精确的程度是要到十的负十二次方秒这样的精度,这样你才能够保证它在你希望的位置上去碰撞。

而对撞发生的那一刻,北京谱仪就会开始工作,它就像是北京正负电子对撞机的“眼睛”,开始捕获对撞产生的次级带电粒子和中性粒子的信息。而物理学家们的工作,就是从实验产生的海量数据中分析出次级粒子的空间位置、动量、能量等特性参数。

自1988年以来,正负电子对撞机就这样对撞,打碎,对撞,打碎,这个重复的过程打开了一段新的未知旅程。

北京正负电子对撞机在陶-粲能区取得许多重大物理成果,为我国的高能物理领域研究做出了巨大贡献,1988年,北京正负电子对撞机建设成功,人民日报曾这样评价:北京正负电子对撞机是我国继原子弹、氢弹爆炸成功,人造卫星上天后,在高科技领域取得的又一重大突破性成就。

2013年的时候,我们找到了由四个夸克组成的,这个成果被美国的物理学会,评委了2013的世界上最重要的物理成果之一。

北京正负电子对撞机在今后若干年内将会继续取数运行,并保持我国在陶粲物理实验的领先地位。”相信我国未来在高能物理领域将继续保持世界领先水平。

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