撞击的科学

作者： 芮厘

2013.12.13 来源： 中国科学报

　　2010年3月30日，两束质子束流在位于法国、瑞士边境的环形隧道中的大型强子对撞机中对撞，产生了7万亿电子伏特的能量，这一撞震撼了全世界，并被认为是迄今最高能量的质子束流对撞实验。来自80多个国家和地区的约7000名科研人员和工程师参与了该大型强子对撞机的建设，其中包括中国近10所科研院所和高等院校的科研人员。

　　这一次撞击，也让很多普通人了解到了对撞机这种科研设备和手段。实际上对撞机的种类很多，包括正负电子对撞机、质子—质子对撞机、质子—反质子对撞机、电子—质子对撞机等等。

　　对撞机设备原理是经加速器加速的高能粒子轰击静止的靶，就像用一个高速飞行的球体撞击另一静止的球体，但碰撞的能量会有一大部分消耗在静止球体上，但如果两个球体相向高速运动并相撞，那么产生的能量会大很多倍。基于这种想法，科学家们在上世纪70年代初研制成功了对撞机。

　　由于相应造价比较低，目前世界上已建成的对撞机大部分属于正负电子对撞机。正负电子对撞机就是一个使正负电子产生对撞的设备，它将电子加速到极高的能量，然后使电子轰击一个固定靶。通过研究高能粒子与靶中粒子碰撞时产生的各种反应研究其反应的性质，发现新粒子、新现象。

　　我国也在1988年10月建成了北京正负电子对撞机（BEPC），1989年12月8日北京正负电子对撞机同步辐射装置通过国家鉴定。由29位专家组成的鉴定委员会认为，北京正负电子对撞机同步辐射装置开始投入运行，为自然科学研究、技术科学发展和工业应用提供了良好的条件，必将对促进各学科的相互渗透和对诸多领域学科的发展带来巨大推动。

　　北京正负电子对撞机（BEPC）是我国第一台高能加速器，已经成为世界八大高能加速器中心之一，也是高能物理研究的重大科技基础设施。

　　北京正负电子对撞机由长202米的直线加速器、输运线、周长240米的圆型加速器（也称储存环）、高6米重500吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成，外型像一只硕大的羽毛球拍。

　　北京正负电子对撞机是当时世界上唯一在τ轻子和粲粒子产生阈附近研究τ-粲物理的大型正负电子对撞实验装置，也是该能区迄今为止亮度最高的对撞机。

　　自1990年运行以来，迅速成为在20亿到50亿电子伏特能量区域居世界领先地位的对撞机，优异性能为我国开展高能物理实验创造了条件，取得了一批在国际高能物理界有影响的重要研究成果。如：τ轻子质量的精确测量、20亿~50亿电子伏特能区正负电子对撞强子反应截面（R值）的精确测量、发现“质子—反质子”质量阈值处新共振态、发现X（1835）新粒子等；同时，BEPC“一机两用”，成为我国众多学科的同步辐射大型公共实验平台，取得了包括大批重要蛋白质结构测定在内的重要结果。

　　北京正负电子对撞机的同步辐射系统曾于2002年建成我国第一个专用于生物大分子结构分析的同步辐射光束线和实验站，这套装置已成为我国结构基因组研究的一个重要平台。在生物大分子光束线站上，首次获得了SARS病毒蛋白酶大分子结构。

　　从2004年开始，北京正负电子对撞机进入了重大改造，于2009年7月17日完成验收。改造后的北京正负电子对撞机（BEPCⅡ）在世界同类型装置中继续保持领先地位，成为国际上最先进的双环对撞机之一。