正负电子对撞机

物理名词

正负电子对撞机是一个使正负电子产生对撞的设备，它将各种粒子（如质子、电子等）加速到极高的能量，然后使粒子轰击一固定靶。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。正负电子对撞同样也是一种正负粒子碰撞的机制，正电子与负电子在自然界已有产出，人们研究微电子粒子的结构特性，是当今高能粒子物理量子力学的最前沿的科学。那自然界有正负电子对撞机的机制吗？这一机制自然界会天然存在吗？新发现，新探索，在陨落的陨石中就存在着自然界的正负电子对撞机制，这一现象也只能用高能物理的量子力学与四维空间维度解释。

原理

用经加速器加速的高能粒子轰击静止的靶，就像在一起交通事故中的一辆汽车撞到一辆停在路边的汽车上，撞车的能量很大一部分要消耗到使停在路边的汽车向前冲上，碰撞的威力就不够大。如果使两辆相向开行的高速汽车对头相撞，碰撞的威力就大许多倍。基于这种想法，科学家们在70年代初研制成功了对撞机。世界上已建成或正在兴建的对撞机有10多台。科学发现自然，自然验证科学。发现自然界自我组装生成的电子正负电子对撞机制的存在。

历史渊源

1988年10月竣工的北京正负电子对撞机，是国际科技合作的结晶。我国科学家以务实、创新的精神，积极与世界各大高能物理实验室合作，并引进了大功率速调管、快电子学等国际先进技术，使其成为该工作能区国际领先的对撞机。

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的推动。

据介绍，北京正负电子对撞机的储存环有高能物理实验与同步辐射兼用模式和同步辐射专用模式。在储存环外围有两个同步辐射实验室。第一期计划建成了三个前端区和三条光束线，在光束线上，专家们利用聚焦X光和真空紫外光做了激光晶体材料的X光激发发光实验，观测到一些国内外尚未得到过的、有价值的新现象。还利用同步辐射光源提供的高亮度X光，几十秒钟即可完成对单根头发丝进行的X光激发荧光谱分析，达到了国外实验室所能达到的最高水平。这项装置的运行使用，将提供从真空紫外光到硬X光的很大光谱范围的同步辐射光，供生物物理、生物化学、光化学、固体物理、原子和分子物理、表面物理、材料科学、计量标准及医学研究等方面的应用。

1989年对撞机投入高能物理实验，建立了以中国科学家为主导的北京谱仪合作组，美国十多所大学和研究所的科学家参加合作研究，在τ-粲物理领域做出了国际一流的成果，例如中美科学家1991年在北京谱仪上合作完成的τ轻子质量的精确测定，被李政道教授誉为当年“高能物理界最重要的发现”。

对撞机又作为同步辐射装置，在凝聚态物理、材料科学、地球科学、化学化工、环境科学、生物医学、微电子技术、微机械技术和考古等应用研究领域取得了一大批骄人的成果。利用同步辐射光对高温超导材料进行的深入研究；对世界上最大尺寸的碳60晶体以及在0.1-0.3微米X射线光刻技术的研究均取得重要突破；在微机械技术方面，制成了直径仅4毫米超微电机，这种电机将能在医疗、生物和科研等方面有独特的用途。

研究未有穷期。为探索物质奥秘并造福人类，我国科学家将在不断认识微观世界的跋涉中继续奋进。

身兼北京正负电子对撞机重大改造工程经理，中科院高能所所长陈和生如此激动的理由很充分，“这次正负电子束流对撞成功，是新双环对撞机的第一次电子对撞，意味着改造工程双环对撞方案的成功，同时也显示出重大改造工程更有信心地进入最后一个阶段。”奥运年将是北京正负电子对撞机重大改造工程的完工年。这项从2003年开始，耗资6.4亿元、为期5年的大科学装置改造工程分三个阶段完成。2007年11月，储存环单环改双环这一最关键和最困难的环节已经度过，顺利完成对撞机重大改造工程的第二阶段任务，剩下就是安装对撞机上的大型粒子探测器北京谱仪的任务。

改造工程采用的是世界先进的双环交叉对撞方案，原先电子只有一条“光速跑道”，改造后正负电子各占一条“跑道”进行大角度水平对撞，对撞机性能将提高100倍。不过，改造难度也是超乎想象，十几吨的设备不能使用大吊车安放，数万根电缆一根都不能接错，这些仅仅是改造工程千头万绪的几缕。

“比如隧道原来是给单环设计，空间狭小，现在安装双环就拥挤到了极点。国外成功的双环对撞机是在80米距离内实现电子对撞再分开，我们必须在28米内实现。”陈和生说，改造中许多技术和设备国内从未有过，而高能物理对撞机的加工精度比航天、航空领域还要高。

北京正负电子对撞机在我国大科学装置工程中赫赫有名，为示范之作。1988年10月16日凌晨实现第一次对撞时，曾被形容为“我国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后，在高科技领域又一重大突破性成就”。北京正负对撞机重大改造工程的实施，将让这一大科学装置“升级换代”，继续立在国际高能物理的前端。

先进行列

“核子重如牛，对撞生新态”。李政道曾为国画大师李可染讲述人类可以通过重离子对撞探索宇宙奥秘。李可染为科学奇观深深感染，欣然落笔绘就了一幅体现对撞内蕴的二牛抵角相峙图。作为探究微观世界中的最小构成单元及其相互作用规律的工具，正负电子对撞机超前的作用和意义远远超出当时人的想象。

同时，作为典型的大科学装置工程，对撞机建设规模巨大，大量采用世界上最先进的高技术，具有投资高、投入人力资源量大和建造周期长等特点。1984年10月，北京正负电子对撞机动工兴建，在当时的国民经济发展形势下，国家向对撞机投入了2.4亿元。

当年在北京西郊玉泉路，邓小平兴致勃勃地为北京正负电子对撞机动工挥锹送出第一块奠基土。针对当时对撞机建设是否“超前”的争议，他对周围人说：“我相信，这件事不会错。”

谈到北京电子正负对撞机，中科院院长路甬祥说，“我们很难设想用别人的仪器，观测到人家没有观测到的现象。”

“北京正负电子对撞机建成，奠定了中国在国际高能物理界的地位。”陈和生1984年到高能所工作，到2003年接受对撞机重大改造工程经理一职时，已在高能所工作近十年。

北京正负电子对撞机重大改造工程完工后，将成为世界上最先进的双环对撞机之一。

科技创新

走进高能所大楼，经常能碰到来为对撞机做实验的外国科学家。陈和生有时候会给他们解释一楼大厅两边墙上的两排字。一排是周恩来总理1972年9月给18位科技工作者来信的重要批示：建立我国自己的高能物理试验基地“这件事不能再延迟了”，另一排就是邓小平在对撞机第一次成功对撞后所说的“中国必须在世界高科技领域占有一席之地”。

对撞机的建成大大促进了我国高能物理的国际合作。中国通往互联网的最早出口就在高能所，并且最早使用网页来交流信息，那时候，大部分电脑还停留在孤岛和字符时代。

国际合作是世界各国发展粒子物理实验研究的基本方式，但直到北京正负电子对撞机建成并投入运行之后，中国才终于有条件作为东道国组织多国科学家参与的、大规模的物理实验，进行中方为主的国际合作。

“这样的好处在于，我们随时可以掌握国际高能物理的最新动态，精准地判断研究方向，及时启动国际高能物理学界最关心和最急需解决的研究课题。”陈和生说。北京正负电子对撞机为自己也为科学撞出了一番新天地。“τ轻子质量的精确测量”被国际上评价为当年最重要的高能物理实验成果之一；“2—5GeV 能区的R值测量”结果，促使2002年国际粒子数据手册将多年不变的R值图做了重大改动，从2000年起至今，所有的高能物理会议都引用这一测量结果；2003年，李政道先生专门写信到高能所祝贺一个新短寿命粒子的发现：“这是一个十分重要的成果，也是物理学上很有意义的工作。”

“任何一个大科学装置，都会自然而然成为一个小型科学研究中心。”陈和生说，高能所的定位就是以大科学装置为依托的多学科综合性研究机构。

和高能物理研究打了一辈子交道的方守贤院士认为，高能加速器是最前沿的科学技术，必然向经济技术领域转移，并产生巨大效益。北京正负电子对撞机的建成运行，在国内发挥了示范作用，也使我国电子学、微波和高频、超高真空等方面有了较大突破和提高，有力地推动了我国机械、电子工业技术的发展。

“这里会是科技创新的沃土。”陈和生说，北京正负电子对撞机重大改造工程建设大量采用国际上先进的高精尖技术，对于我国相关高科技技术和产业来说，又将是一次重要的发展机遇。

伟大贡献

文字实录

[主持人]:

刚才两位老师给我们介绍了一些应用。刚才张老师介绍了，中国也有我们自己的对撞机，叫北京正负电子对撞机。能不能介绍一下中国自己的对撞机的一些情况。

[张闯]:

我注意到在网上很多网友谈到欧洲强子对撞机的时候有很多评论。特别是说看了以后才知道这个东西非常微妙，也有的说看了以后才知道我们中国还有多大的差距，也有的网友很关心，说我们中国也参加了这个合作。有的说我们的贡献是不是太小了。还有的说，我敢肯定中国也有，而且将来一定会有更好的。我们知道网友对这个事情非常关心，中国在这方面到底是什么情况。

[张闯]:

我们也有一个对撞机，就是北京正负电子对撞机，我们说有两个，一个是原来的单环的北京正负电子对撞机，1984年破土动工，小平同志亲自为它奠基，到1988年正式对撞，工作了大概20年左右，21世纪初期我们进行了改造，建造了双环的北京正负电子对撞机，这个机器是我们所工作的园区叫套和颤物理园区，这在国际上占领先地位的，而且它建立了以北京谱仪为基础的国际合作，这是一个非常前沿的、先进的国际合作组，在这个领域中取得了很好的成果。

[张闯]:

我看到一个杂志上有一篇文章。他就讲到成千上百的美国科学家飞到北京来参加北京的试验，经过最近的改造，北京正负电子对撞机性能有了提高，成为国际领先的对撞机。我们国家经过这么多年的努力，在国际究领域里面占了很大的作用。

[陈国明]:

北京正负电子对撞机能量比较低，只有3.5金伏，和我们讲的LHC相差三个量级。但是它做的工作的物理意义很重要的，它和LHC的内容不一样。我们知道讲6个夸克，正反夸克强子下面一个分类，叫做介子，假如有三个夸克组成的叫做重子，也是强子里面的重。还有没有其他的物质形态？比如有四个夸克组成的、五个夸克组成的，有很多胶子组成的胶子球，基本的物质形态假如不是我刚才讲的介子和重子，那就是重大突破，就是我们物质世界新的物质形态，这对以后的应用也是无可估的。

[陈国明]:

北京的正负电子对撞机主要是想找这些东西，有没有这些新的物质形态，普通的物质是由质子、中子组成的，都是三个夸克组成，叫做重子。假如都是重子，5夸克、6夸克，就是胶子球的，这样的话，是完全不同物质形态不一样，就会造成其他的物质形态了，这就是非常重要的。

[主持人]:

这也是我们北京正负电子对撞机研究的目的。刚才张老师介绍了，北京的正负电子对撞机最早是从1984年开始动工，当时的情况，80年代初期，应该说，我们的科研环境，包括经费，可能经济环境还不是很好，包括您说小平同志都很重视破土的奠基仪式，为什么会得到国家这么大的重视？

[张闯]:

刚才主持人问到了，当初对撞机建立的时候也有这样的争论，中国这样一个发展中国家，想做加速器、对撞机是一个长远的目标，不能解决当前最紧迫的研究，到底应该放在什么样的地位，小平同志在对撞机建成以后，1988年视察了北京的正负电子对撞机，他作了一个很重要的讲话，这个讲话就是中国要在高科技领域占有一席之地。一开始小平同志举了一个例子。

[张闯]:

谈到对撞机，我先说一个故事，有一位欧洲的朋友，这个朋友就是我们强子对撞机的研究所所长，小平同志会见了他，他当时就问小平同志一个问题，就是说中国经济也不太发达，为什么要搞这个东西？小平同志回答说，这是为了将来，为了长远的发展。小平同志接着说，中国一定要发展高科技，要在国际高科技领域里面占有一席之地。回头看小平同志当时的讲话，确实非常有远见。

重大成果

它曾为非典研究作过贡献。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。

另外，材料界最时髦的纳米结构研究也多在对撞机的同步辐射站上进行。自然界自存在的正负电子对撞机制，自然验证科学，科学发现自然。

依托中国科学院高能物理研究所北京正负电子对撞机的北京谱仪III实验，科研合作组完成了世界上最精确的正反科西超子衰变参数和不对称性测量，为正反物质不对称性的探索开创了新的实验方法。相关研究成果2022年6月2日在《自然》杂志上正式刊发。

2024年5月，中国科学院高能物理研究所消息，北京正负电子对撞机最近获得一项重大成果：其实验装置北京谱仪III合作组首次测得X(2370)粒子的量子态性质，其质量、产生和衰变性质都与人们长久以来寻找的胶球特性一致。这一发现成为支持胶球存在的强有力实验证据。该研究成果于2024年5月2日作为编辑推荐文章发表在美国《物理评论快报》杂志上。

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