1988年10月16日的清晨,钱三强、张文裕在内的几百位物理学家彻夜未眠,等待一个重要的时刻。凌晨5点56分,北京正负电子对撞机首次对撞成功。这是我国第一座高能加速器,功勋位列原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后,让普通人对这个大家伙肃然起敬,而高能物理所更凭此屡获殊荣。
加速器曾被形象地誉为“原子击碎机”,是物理学家了解微观物质的组成和运动规律的工具,它伴随着核物理产生,到现在已经为人类服务了近百年。19世纪末,俄国科学家门捷列夫归纳了化学元素周期表,这在科学史上是一个重大发展。但物质元素之间为什么能够呈周期性变化,当时的化学家并不能解释。直到1911年,英国物理学家卢瑟福做了一个“金箔实验”,他推断原子有核,α粒子因为打中了原子核才发生偏转。
卢瑟福的发现开启了核物理时代,科学家开始广泛使用钋和镭产生的放射性同位素作为粒子源,并通过这种方法发现了质子。随着研究的深入,很快天然的放射性元素就不能满足核物理实验的需要了。它们能够轰击的元素种类有限,加之能量很小,核反应的事例率也极低。想要将研究深入扩大,就需要能量更高和束流更强的粒子束。这对使用人工方法产生高能粒子束提出了迫切要求。
E=mc²告诉我们原子的原子核中储存的能量要比它的价电子多很多。分裂原子释放的能量要比断开电子键释放的能量大得多。核能就是以这个原理为基础。核反应堆促使产生裂变,并捕获其中释放的巨大能量。另一方面,爱因斯坦建立的相对论中E=mc²公式表明,物体的能量E跟质量m等价。质量越大的物体能量越大,反过来,加速粒子的能量愈高就愈能产生质量大的新粒子。而人类每发现一种新粒子都意味着物理学面貌的焕然一新。
E=mc²已经帮助创造了很多令人兴奋的新技术。1932年,两个英国科学家建成了世界上第一台直流加速器。这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应,因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。20世纪中期,科学家发现了质子、中子、电子、光子和各种介子,这些是当时的“基本粒子”,即人类所能探测的最小粒子。随着人类对微观世界的认知,利用普通加速器进行高能物理实验能量变得不够用了。
但如果把静止靶换成加速的粒子,让两束粒子高速对撞则能提供大得多的能量。“正负电子对撞机”的概念,随即被提出来。许多理论物理学家开始对对撞机寄以厚望,希望通过它最大限度地将加速的粒子能量用于高能反应或获得新粒子。中国要有自己的对撞机。1981年,北京正负电子对撞机(BEPC)在李政道等人的极力支持下立项,历时七年终于建成。
北京正负电子对撞机BEPC,形似一个网球拍,球把是一个200米长的直线加速器,由电子枪产生的电子束在加速管中不断加速,当电子束被加速到240MeV时,轰击一个钨转换靶,产生正负电子对,将正电子收集起来加速。然后,把靶提起来,将负电子束流加速到与正电子相同的能量。
接着,正负电子通过30米长的公用输运段,然后被一块分选磁铁甄别,各奔一方加速到接近光速,当正负电子分别被加速到需要的能量,调整对撞点两侧的磁铁强度,使正负电子的轨道在探测器中心迎头对撞,这时安放在对撞点附近的北京谱仪开始工作,获取对撞产生的信息,存入计算机以备分析。BEPC是世界上它所在能区内亮度最高的对撞机,通过实验,曾精确测量τ轻子的质量,发现X1835新粒子,在国际高能物理界引起很大反响。
北京正负电子对撞机就在北京石景山区的高能物理所,地铁玉泉路站。