我国首个大科学装置运行30余年北京正负电子对撞机领跑世界最前沿

发布者：无名布衣 2023-1-1 10:23

北京谱仪Ⅲ实验国际合作组发言人、中科院高能物理所研究员李海波（右）与北京谱仪Ⅲ实验国际合作组联合发言人、中国科学院大学教授吕晓睿（左）在北京谱仪对撞区查看设备情况。（和冠欣摄）

自天安门广场一路向西，复兴路北侧，中国科学院高能物理研究所院内，一座形如羽毛球拍的建筑就是北京正负电子对撞机的所在地。这是我国首个大科学装置，也是我国第一座高能加速器。运行30余年间，几乎每秒都有上千个粒子在其中高速奔跑、对撞、湮灭。大型探测器北京谱仪Ⅲ则是对撞机的“眼睛”，“目不转睛”地记录着每个粒子的飞行轨迹。

“这些带电粒子的轨迹，就像流星雨划过天际。”北京谱仪Ⅲ实验国际合作组发言人、中科院高能物理所研究员李海波紧盯谱仪控制室大屏幕上显示出的单事例粒子轨迹，生动地描述。每年的11月到次年6月，是北京谱仪Ⅲ最忙碌的时段——谱仪将连续收集数以万亿计的对撞数据。

从正面看，北京谱仪Ⅲ的主体结构是一个正八面体。经过北京正负电子对撞机的加速，接近光速的正电子和负电子分别从两侧飞入，并在谱仪的正中区域完成对撞。随后，带电粒子将在我国单体最大的超导磁体作用下，在1万高斯的均匀磁场中发生偏转，不同种类的粒子随即飞往不同方向。

这个过程就像在微观世界打台球。每个粒子的产生发生在飞米级尺度内——这一单位比纳米还要小100万倍。而成人一根头发的直径大约是6万纳米。

紧盯“台球赛”的一举一动，是北京谱仪Ⅲ的重要作用。“建设谱仪时，我们要用4万多根电缆线把每个子探测器信息传送到中央控制台。”李海波解释，只要装置内出现对撞事件，谱仪内的探测器就会以最快几十皮秒级的时间分辨率，拍下粒子飞行的详细轨迹。

自1988年10月16日，北京正负电子对撞机首次对撞成功至今，装置多次升级。除工程改造及检修时间外，这里的粒子撞击一刻不停。作为当前国际上唯一一台运行在20亿至50亿电子伏特能区的高能粒子对撞机，它产出了粲物理领域绝大多数的精确测量成果——在世界最权威的粒子数据表上，北京谱仪合作组测量的数据超过了1000项。

“谱仪的在线数据获取能力能够支持每秒处理6000个有效对撞事例。”北京谱仪Ⅲ实验国际合作组联合发言人、中国科学院大学教授吕晓睿介绍，每年，谱仪系统后台收集的数据总量有上百万亿字节，需要上万个中心处理器同时展开数据处理。合作组的软件组研究人员要用大约一年的时间进行数据校准，才能真正提供给科研人员开展后续研究。

这些数据共享给来自16个国家、84个研究机构的500余位科研人员。北京谱仪实验拥有目前国内正在运行的最大国际合作组。利用装置产出的科研数据，科研合作组已发表了500余篇高水平科研论文。

2022年6月，装置“撞”出的一项成果登上了《自然》杂志。科研合作组利用北京谱仪Ⅲ收集的13亿个J/psi粒子衰变事例，完整干净地重建出7万余个处于量子相干状态的正反科西超子对，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。目前，北京谱仪Ⅲ历时4个月完成了约100亿个J/psi粒子的获取，科研人员期待进一步改进测量的精度。

李海波自豪地说：“我们已经站在了世界的最前沿。在这个能区，国际上没有第二台同类型的装置。”预计到2024年，北京谱仪将再升级。“物理研究又会开辟出一片新的、从没有任何一个实验研究过的领域。”吕晓睿说。（刘苏雅）