科研人员进行北京谱仪Ⅲ主漂移室拉丝。刘捷摄

 

在中科院,北京正负电子对撞机是“标杆”一样的存在。它是在邓小平、周恩来等党和国家领导人的亲自关怀下建成的中国第一个大科学装置,也几乎是此后历届党中央、国务院领导人来中科院视察的必到之处。

与此同时,北京正负电子对撞机是中国高能物理科学家心头的骄傲。建设于上世纪80年代的北京正负电子对撞机,论规模在国际上并不算大。然而,这么多年过去,尽管一个又一个大型加速器在全球拔地而起,它却始终屹立不倒,被誉为“世界八大高能加速器中心之一”,在国际高能物理领域占有重要的一席之地。

“领跑者”是怎样炼成的

2016年4月5日晚,中科院高能所副所长秦庆在北京正负电子对撞机中控室的一块白板上写下了一个数字:1.0×1033。

这是一个历史性的数字。它标志着北京正负电子对撞机的对撞亮度达到了1×1033cm-2s-1,性能达到改造前的100倍,同时再次刷新了该能区对撞亮度的世界纪录。

中科院高能所研究员、加速器物理组组长、对撞机储存环物理调束负责人于程辉很清楚,这样一个数字对中国来说意味着什么。

2001年,北京正负电子对撞机改造工程完成设计,计划将亮度提高30倍。但几乎同时,美国康奈尔大学威尔逊实验室宣布,要将其一台在高能量B夸克能区运行的对撞机降到北京正负电子对撞机的能区下工作,设计对撞亮度与之相同。

“这意味着如果要保持竞争力,我们必须比他们做得更好。”于程辉说。面对巨大的压力,中国科学家迎难而上,提出新的改造方案——将设计对撞亮度提高到原来的30~100倍。

北京正负电子对撞机重大改造工程于2004年1月动工,2008年按计划建成,次年7月通过国家验收,正式投入运行。“后来,我们又花了7年时间,不断调试装置,寻找最佳参数组合,最终使对撞亮度成功达到改造前的100倍。”于程辉说。

在运行团队不断打磨这台大科学装置的同时,科学家团队也在夜以继日地挑战世界科技前沿。依托北京正负电子对撞机的北京谱仪Ⅲ实验国际合作组的400多名科学家不分昼夜地工作着,希望能发现新的物理现象。

“对撞亮度越高,获取的数据就越多,测量精度也越高,也就意味着更有可能取得新的科学发现。”中科院高能所实验物理中心副主任、研究员沈肖雁告诉《中国科学报》记者。

2013年,北京谱仪Ⅲ实验国际合作组宣布发现新的共振结构Zc(3900),其中含有一对正反粲夸克且带有和电子相同或相反的电荷。这提示Zc(3900)至少含有4个夸克,极有可能是科学家长期寻找的介子分子态或四夸克态。国际物理学界高度评价该重大发现,美国物理学会将其评为当年十一项物理学重要成果之首。

一机两用 辐射周边

除了高能物理研究,北京正负电子对撞机还是典型的“一机两用”大科学装置。同步辐射装置“寄生”在正负电子对撞机上,每年能为用户提供约3个月的专用光束流。同时,在对撞模式下,有10条光束线为用户提供兼用光。

这也使得北京正负电子对撞机成为一个真正意义上能开展凝聚态物理、材料科学、生命科学、资源环境及微电子技术等多学科交叉前沿研究的大科学平台。

据中科院高能所研究员张闯介绍,同步辐射光最初被认为是一种有害物质,但后来人们发现,同步辐射光亮度高且具有较宽的波谱,尤其适合做生物结构研究。

自上世纪70年代以来,美国、欧洲、日本等发达国家和地区纷纷建造同步辐射装置,为多个学科的交叉前沿研究提供先进的大型研究平台。所有的同步辐射装置均以国家实验室的形式运作,一方面为本国甚至全世界的科学研究提供实验条件,另一方面开展新型的实验技术、探测器技术等研究,成为多学科研究的中心。

北京正负电子对撞机重大改造工程完成后,同步辐射专用光运行的能量提高到2.5GeV(千兆电子伏),流强达到250毫安,用户急需的硬X光强度增加了一个数量级,稳定性大幅提高,多数光束线站能实现兼用光运行。

中科院院士、结构生物学家饶子和就是同步辐射装置的直接受益人之一。2003年“非典”在全国肆虐,饶子和团队发现,SARS病毒里有一个很关键的主蛋白酶。如果能知道它的结构,便可据此设计抑制剂,从而阻断SARS病毒的传播。

然而,当时普通实验室里的X光射线强度太低,根本无法看到蛋白质结构。

正在实验陷入僵局时,饶子和听说北京正负电子对撞机上刚刚建成了新的同步辐射装置——生物大分子晶体学线站。他来到实验站,很快就取得了这个蛋白酶的结构,并制出了抑制剂。

同步辐射装置为我国多学科研究提供了最先进的实验平台。不仅如此,在北京正负电子对撞机改造的过程中,高能所与我国相关企业通力合作,带动了相关产业技术的提升。

“当初接这个任务时,企业里就有许多技术人员不同意。他们认为完成的可能性只有30%。”中信重工机械股份有限公司时任副总经理王继生回忆。

当时中信重工负责的是加工谱仪主体机械结构。这个设备非常复杂,不但“吨位”大,对精度要求也极高。虽然零件加工比较顺利,但安装后并没有达标。高能所专家来到企业,用先进的工具一次次检验、完善工序,又经过两次试验,终于将设备安装合格。

王继生说,中信重工后来也推广了这样的方法,还引进了高能所带去的激光测量仪,产品质量得到明显提高。

对撞更多可能

北京正负电子对撞机狭长的隧道另一端,不仅源源不断地产出着前沿科技成果,还在向更远、更广阔的领域不断延伸着。

“凭借建设北京正负电子对撞机的经验,我们高能所也积累起一支有着丰富大学科装置建设经验的人才队伍。”沈肖雁说。

在北京正负电子对撞机之后,以中科院高能所为主,我国又先后建设了大亚湾反应堆中微子实验、中国散裂中子源、上海光源、江门中微子实验等一个又一个令世界刮目相看的大科学装置。而在这些浩大工程的背后,北京正负电子对撞机团队的身影随处可见。

现在,对撞机人在规划一个更大的梦想。作为北京正负电子对撞机的后续发展,我国科学家于2012年提出建造周长为50~100公里的环形正负电子对撞机(CEPC)作为希格斯粒子工厂,并适时在同一隧道中建造能量为50~100TeV(万亿电子伏)的超级质子—质子对撞机。这在国际上引起巨大反响。

该方案可精确测量希格斯粒子、检验标准模型、寻找超出标准模型的新物理,并且理解宇宙中暗物质和暗能量的本质等,从而使我国在高能物理这个重要领域全面领先国际,取得重大科学成果。

环形正负电子对撞机也是一个高能同步辐射光源,它将制造出世界上前所未有的MeV(百万电子伏)级同步辐射光,在核物理、材料、微加工、育种、国防等领域起到关键支撑作用。

“粒子物理研究不仅是科学的最前沿,也是技术的最前沿。”中科院高能所副所长罗小安说,“相信环形正负电子对撞机的建设会对技术发展起到更大的辐射带动作用。”

罗小安此言不虚。在北京正负电子对撞机建设、运行的数十年里,中科院高能所也从几座低矮小楼中拔地而起,变成了一个名副其实的国际高能物理中心。而在未来,它还将向着世界领先的科学中心的目标不断接近。

记者手记

赢在细微之处

在炎热的盛夏时节,中科院高能物理研究所内的北京正负电子对撞机显得十分“特立独行”。水、电、气、空调等各种设备稳定地运行着,把这个狭长的地下迷宫变成了一个清凉的“避暑”胜地。

有幸来这里参观的人,大都赞叹过这里分毫不差的实验环境。但他们不知道的是,这样的分毫不差,正是北京正负电子对撞机团队所信奉的至高准则:500吨的大设备,安装误差要求在1毫米之内;为维持电压稳定,调压范围控制极为严格;一些部件的加工精度,甚至超过了航天、航空领域的要求……

而这样的分毫不差,坚持了数十年。在这个中国第一台大科学装置酝酿、建设、运行,乃至后来的升级改造、冲击能区最高亮度、寻找四夸克物质的全过程中,一丝不苟、精雕细琢的精神始终贯穿其中。

不能因为装置大,活就可以干得糙。正是这个朴素的道理,让北京正负电子对撞机一次又一次地圆满完成任务,一次又一次在激烈的国际竞争中脱颖而出,一次又一次刷新着世界纪录,“老树”不断开出“新花”,最终成长为当代中国科技史上的一面旗帜。

聚沙成塔,集腋成裘。在每一个环节做到分毫不差,中国科技创新的链条才不会断;而将这样的工匠精神传承下去,则定可铺就中国自己的科技强国之路。

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