无“微”不至,中国发现惊艳全球

2018-12-18 00:00:00来源: 科技日报 作者: 本报记者 高 博

本报记者 高 博

勤劳聪明的中国人曾为世界科学作出巨大贡献。但我们也不得不遗憾地承认:现代物理学教科书中的中国名字并不多。

改革开放四十年来,随着国力不断增强,中国基础物理学研究持续深入,成就日益显赫。从北京正负电子对撞机到大亚湾中微子实验,中国已成为世界物理学界的最重要力量之一,并被寄望成为下一个基础物理学中心。

三十年前:三次“不再犹豫”拉开序幕

1988年北京正负电子对撞机(BEPC)的首次成功对撞,让中国在世界高能物理界拥有了一席之地。中国国籍的物理学家重新回到世界物理学最前沿,也是从它开始的。

探索原子核尺寸以下的物理规律,就得把原子核击碎。科学家想到,让两颗“炮弹”对撞——高速质子流或者电子流。对撞机(也叫粒子加速器)就是专干这个的,对撞能量之高不亚于火车头对撞,却集中于原子核大小的空间里,使能量密度高到变态,所以溅射出一些奇怪的粒子。但要让两束细过头发丝、快如闪电的粒子相撞,需要复杂的机器。

上世纪60年代,中国科学家几次设计和提出了对撞机方案,均未实施;1972年国务院“七五三”工程计划建造400亿电子伏质子同步加速器,但因故搁浅;1977年的“八七工程”计划在1987年建成4000亿电子伏质子同步加速器,但在1980年的国民经济调整中,方案下马。

由于研制对撞机费用昂贵,当时只有美国、欧洲和日本才造得起。在上世纪80年代初的中国,要拿出一笔钱来为人类共同的科学事业作贡献,的确有些捉襟见肘。

邓小平的支持,对于中国基础物理学家而言,无异于一场及时雨。

1981年12月,中科院高能物理所递交给邓小平和胡耀邦一份报告,写道:“请求中央批准我们12月5日上报的正负电子对撞机方案……”抬头还加上了万里和姚依林两位副总理。邓小平书面批示报告称:“这项工程已进行到这个程度,不宜中断,我赞成加以批准,不再犹豫。”

当月,邓小平在会见热心于中美高能物理合作的李政道教授前,又对中科院党组书记李昌说:“要坚持,下决心,不要再犹豫了。”在谈到工程进度和经费时,他对姚依林说:“5年为期,经费要放宽一些,不要再犹豫不决了,这个益处是很大的。”

正是有了这3次“不再犹豫”,北京正负电子对撞机工程得以启动。1984年10月,邓小平为BEPC的奠基石培上第一锹土,并说:“我相信这件事不会错。”

2018年,BEPC已度过了它30岁的生日。中科院高能物理所所长王贻芳感慨:“今天看来,建造BEPC是当时所能做的最好选择,它让中国在国际高能物理领域占领一席之地,培养了一支具有国际水平的队伍,也推动了国内其他大科学装置的建设。”

二十年前:跻身粒子物理研究前沿

位于北京玉泉路的BEPC,外形像一个羽毛球拍。它由注入器、储存环、北京谱仪和同步辐射装置四大部分组成,占地5万平方米。

1984年开建的BEPC,1988年就试运行成功,成为世界八大高能加速器之一,这让世人惊叹于中国效率。王贻芳介绍,BEPC是当时国际上τ-粲物理能区性能最好的对撞机。它让中国能独立设计建造加速器、探测器并开展物理实验研究,中国由此在20—50亿电子伏特能区的τ物理、粲物理、粲偶素和量子色动力学检验方面走在世界前列。BEPC的主要成就包括τ轻子质量的精确测量、20—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……

2009年7月,北京正负电子对撞机完成重大改造,成为国际上最先进的双环对撞机之一。BEPC二代的成功使中国高能物理在加速器和探测器技术上实现跨越式发展,保持发展了中国在粲物理方面的国际领先优势。BEPC二代是“一机两用”,包括高6米重500吨的北京谱仪以及北京同步辐射装置,拥有长202米的直线加速器、周长240米的圆型加速器(粒子在对撞之前一圈圈热身的跑道),围绕储存环的是同步辐射实验装置。

2013年,新一代的北京谱仪,有了一个让物理学界兴奋的发现:某种粒子是由4个夸克组成的。在已知的物质世界中,强子(比如中子、质子与各种介子)均是由2个或3个夸克组成的——传统夸克模型认为,介子由1个夸克和1个反夸克组成,中子和质子是由3个夸克或3个反夸克组成。而2013年北京谱仪却发现一个命名为Zc(3900)的结构,是四个夸克组成的,因而成为当年基础物理学界的大新闻。

2014年,北京谱仪又观测到一个新粒子Zc(4025),也至少含有4个夸克,和Zc(3900)非常相似,极可能是质量较高的激发态。这两个粒子的发现,为确认自然界中存在超出常规重子与介子的新物质形态提供了重要的实验证据,对于完善物质最基本结构的理解有重要意义。

十年前:捕获微观世界“隐士”

如今,已经不再是物理学家灵光一闪、高呼“发现了”的时代。微观世界的新发现,必须依靠大型实验装置,需要几百个人运转磁铁、制冷机、粒子探测器、电路板和计算机。

新世纪以来,中国科学家无法满足于在BEPC上对撞粒子。他们希望用更有创意的方式,窥探微观世界的秘密。在深圳大亚湾核电站边的中微子实验正是他们的一个新切口。中微子属于轻子,共3种。它不带电,极其微小,以光的速度飞行,且身怀“变身术”。无论在微观的粒子世界,还是在宏观的宇宙起源及演化中,中微子扮演的角色都非同一般。

大亚湾中微子实验中,中国科学家掘了一个山洞,在释放出大量中微子的核反应堆附近,安装了几个巨大的检测装置。它们距离反应堆远近不同,这样根据测得中微子数量的差异,就可知有多少中微子在行进中从一个“亚种”变成另一个。几百米厚的山体岩石,可以尽量阻挡来自星空的粒子干扰。

2012年3月,大亚湾实验凭借高质量的数据分析,在国际竞赛中率先撞线。中微子第三种振荡的确认,引起了物理学界的兴奋,许多人认为这是半个多世纪以来中国人最重要的实验物理学成果。位于广东江门的更大规模的中微子实验也正在建设,它可以测出中微子更多的参数,比如中微子在“对称性破坏”方面的表现,由此帮助解答一个著名物理难题:为何宇宙中的物质比反物质要多,而非一样多?

除此以外,中国近年还投用了更多基础物理学装置:比如硬X射线调制望远镜和中国空间站上的粒子探测器。未来,也会有越来越多的重磅论文出自中国。

2016年,舆论热议是否应上马新的加速器“环形正负电子对撞机”,中国的高能物理学事业也前所未有地受到公众关注。如今新加速器项目仍在预研阶段,但它已成功将世界物理学界的视线吸引过来。中国之于世界基础物理学的意义,正日益举足轻重。

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责任编辑:符雪苑