北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）主要用于研究基本粒子的性質(zhì)和相互作用規(guī)律，探索物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和宇宙奧秘。具體而言，BEPC及其升級(jí)版BEPCII主要通過加速正負(fù)電子對(duì)撞，產(chǎn)生次級(jí)粒子，從而研究這些粒子的性質(zhì)和相互作用。

想像一下，我們要讓兩束接近光速飛行的正負(fù)電子以最高2×2.8 GeV的高能量，在長(zhǎng)度為240米，卻細(xì)如發(fā)絲的跑道上每秒對(duì)撞1億多次，而且每次碰撞都是“鼻尖對(duì)鼻尖”，這樣的高難度的碰撞究竟是怎樣做到的？

如何讓粒子發(fā)生高難度對(duì)撞？

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）把這道看似不可能的題目拆成了四步“絕技”：

第一步，先做出“子彈”：一根202米長(zhǎng)的直線加速器像“電子機(jī)關(guān)槍”，將電子槍產(chǎn)生的電子加速后轟擊鎢靶，“砰”地打出大量正電子。負(fù)電子則由電子槍直接產(chǎn)生。產(chǎn)生的正負(fù)電子隨后被一起加速到1.4～2.8 GeV。

第二步，把子彈壓成“薄片”：正負(fù)電子束脈沖被送進(jìn)240米的儲(chǔ)存環(huán)。環(huán)里彎轉(zhuǎn)磁鐵負(fù)責(zé)讓粒子拐彎，四極磁鐵和六極磁鐵像“透鏡組”把束流聚焦為垂直0.1毫米、水平1毫米的“紙片束”。束流越細(xì)，撞上的概率就越高。

第三步，讓薄片“疊”在一起：升級(jí)后的BEPCⅡ采用雙環(huán)交叉方案：正負(fù)電子不再共用一條跑道，而是各跑一個(gè)環(huán)，在交叉點(diǎn)相遇。每個(gè)環(huán)里正負(fù)電子束團(tuán)的數(shù)目從單環(huán)時(shí)的1個(gè)提升至93個(gè)（每個(gè)束團(tuán)中粒子數(shù)的量級(jí)為1011，即約含千億個(gè)粒子），于是93×93≈8600對(duì)“薄片”對(duì)撞，亮度比單環(huán)提高約100倍。

第四步，實(shí)時(shí)“糾偏”，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)導(dǎo)航。環(huán)上裝了上百個(gè)“電子眼”（束流位置探頭、同步光探頭等）和一套計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量和控制系統(tǒng)，每毫秒測(cè)一次束流位置、角度、強(qiáng)度，并將誤差信號(hào)立刻反饋給磁鐵電源和高頻腔，以確保束流的穩(wěn)定性和對(duì)撞效率。

通過以上技術(shù)，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)實(shí)現(xiàn)了高精度的束流控制和對(duì)撞性能，并為全球物理學(xué)家提供τ-粲能區(qū)最亮的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

“τ-粲能區(qū)”獨(dú)占鰲頭的精確探測(cè)者

BEPC是目前世界上唯一工作在τ-粲（càn）能區(qū)（2-5 GeV）的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，在這一能區(qū)積累了世界上最大的含粲夸克粒子樣本。

如果把BEPC看成一只“大胃王”，正負(fù)電子是它“做菜的原料”，那它最喜歡做的“菜”則是陶輕子（τ輕子，輕子的一種）和粲粒子（粲夸克相關(guān)的基本粒子）。為什么是它們？

因?yàn)锽EPC的能量對(duì)它們來說是“量身定制”款。BEPC設(shè)計(jì)的束流能量為1.0-2.4 GeV，對(duì)撞質(zhì)心能量為2.0-4.8 GeV，正好把粲夸克和反粲夸克一網(wǎng)打盡。

因?yàn)锽EPC在該能區(qū)的亮度是“世界第一”。BEPC在工作的“τ-粲能區(qū)”（2-5 GeV）的亮度長(zhǎng)期保持世界第一。1988年，在BEPC建成之初，其在2 GeV時(shí)的峰值亮度就達(dá)到 8×1030 cm-2 s-1，是當(dāng)時(shí)世界上同能區(qū)亮度最高的加速器。2009年，BEPCⅡ升級(jí)改造后，其亮度再次提升約100倍，峰值亮度突破1033 cm-2 s-1，繼續(xù)穩(wěn)居該能區(qū)第一，并超過了日本KEKB在該能區(qū)的表現(xiàn)，是康奈爾CESR-c同能區(qū)亮度的3-7倍。

因?yàn)锽EPC具有物理測(cè)量方面的“獨(dú)家口味”。它能精確測(cè)量J/ψ（由粲夸克組成的一種粲粒子）的質(zhì)量和寬度，驗(yàn)證量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）勢(shì)模型。它能產(chǎn)生ψ(3770)，ψ(3770)幾乎100 %衰變到DD?（一個(gè)由D介子和其反粒子D?組成的系統(tǒng)），是測(cè)量D介子質(zhì)量、壽命、強(qiáng)相位的“黃金工廠”。它能精確測(cè)τ輕子質(zhì)量、反常磁矩。

綜上，BEPC的“心頭好”就是帶粲味的介子和τ輕子，它用240米的小個(gè)子，成為了全球最大的“粲工廠”。它不僅能研究高能物理領(lǐng)域的基本粒子，成為探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)和宇宙奧秘的重要工具，還在生物、材料、物理、化學(xué)、環(huán)境、能源等多學(xué)科研究中發(fā)揮重要價(jià)值。

出品：科普中國(guó)

作者：楊超（深圳理工大學(xué)科普主管、中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽