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學(xué)姐帶你看大科學(xué)裝置——北京正負電子對撞機

小知識科普離子電子束輕子


學(xué)姐帶你看大科學(xué)裝置——北京正負電子對撞機



北京正負電子對撞機（以下簡稱BEPC）是我國第一個大科學(xué)裝置 ， 坐落在北京市石景山區(qū)玉泉路上的中國高能物理研究所園區(qū)內(nèi) ， 大部分結(jié)構(gòu)位于地下 。 正所謂大隱隱于市 ， 這個國之重器的所在地在北京這座繁華的城市內(nèi)一點都不起眼 ， 看起來樸實無華 ， 但卻散發(fā)著寧靜而莊重的氣息 。
【學(xué)姐帶你看大科學(xué)裝置——北京正負電子對撞機】外景（實拍）
在正式介紹BEPC之前 ， 先來簡單說說正負電子對撞機是干嘛用的吧 。 我們知道 ， 無盡的求知欲是人類區(qū)別于其他動物的重要特征 。 從古至今 ， 人類一直在思考和探索：世界萬物是由什么構(gòu)成的？組成物質(zhì)的基本單位、基本結(jié)構(gòu)是什么？或者說 ， 物質(zhì)世界的終極本原是什么？
從公元前400多年古希臘人提出原子論開始 ， 到如今 ， 二十多個世紀(jì)過去了 ， 我們對物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的認識 ， 已經(jīng)從原子、分子深入到了電子、質(zhì)子、中子、夸克、輕子等 。 夸克、輕子是比質(zhì)子還小的粒子 ， 但是它們是不是就是最基本的粒子了呢？它們的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)是怎樣的？這些都需要進一步的研究 。
而這類研究 ， 就要用到對撞機這種科學(xué)裝置 。 對撞機把電子等已知的粒子加速到接近光速 ， 然后使之發(fā)生碰撞 ， 然后利用探測儀探測碰撞后產(chǎn)生的粒子并記錄相關(guān)數(shù)據(jù) ， 再由科學(xué)家對數(shù)據(jù)進行分析、研究 ， 探索這些粒子的性質(zhì)和相互作用規(guī)律 ， 進而有可能發(fā)現(xiàn)未知的新粒子 。
北京正負電子對撞機控制中心所在大樓（實拍）
BEPC主要通過正負電子對撞來研究t輕子（輕子的一種 ， 電子也是一種輕子）和J/ψ粒子（1974年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種能量約為31億電子伏特的新粒子 ， 是由夸克組成的一種粲粒子） 。 栗子學(xué)姐知道這兩個名字肯定令大多數(shù)讀者頭疼 ， 沒關(guān)系 ， 不用深究這兩種粒子到底是什么 ， 咱們普通人只需要知道這是輕子、夸克家族中的兩個成員就好了 。
BEPC占地50000平方米 ， 由注入器、儲存環(huán)、北京譜儀和同步輻射裝置等幾部分組成 ， 整體外觀像一個乒乓球拍 。 球拍的直柄部分是注入器 ， 一臺200米長的直線加速器 ， 用于為儲存環(huán)提供能量為1.1-1.89GeV（1GeV=10億電子伏特）的正負電子束 。 球拍的圓形部分是儲存環(huán) ， 是一臺周長為240米的環(huán)形加速器 ， 它將電子束加速到需要的能量 ， 并加以儲存 。 正負電子束的對撞點在儲存環(huán)的南側(cè) ， 那里有由一臺大型粒子探測器——北京譜儀 。 同步輻射裝置則是BEPC的另一個重要應(yīng)用平臺 ， 為各個學(xué)科的科學(xué)家利用電子束產(chǎn)生的同步輻射光進行相關(guān)實驗研究提供服務(wù) 。
栗子學(xué)姐跟隨研究員從這里進入BEPC的地下區(qū)域（實拍）
儲存環(huán)局部（實拍）
儲存環(huán)局部（實拍）
上文說了 ， BEPC可以提供一定能量范圍內(nèi)的正負電子束 。 電子束的能量不同時 ， 對撞產(chǎn)生的粒子也不同 。 1.55GeV的正負電子束對撞時 ， 會產(chǎn)生J/ψ粒子；1.89GeV的正負電子束對撞時 ， 產(chǎn)生t輕子 。 通過控制對撞的電子束流的能量 ， BEPC就可以研究這兩種不同的粒子 。 這兩種粒子就是BEPC主要研究的粒子 ， 所在的能量區(qū)域被稱為t-粲能區(qū) 。
在BEPC運行、研究的t-粲能區(qū) ， 曾經(jīng)還有美國康奈爾大學(xué)這個競爭對手 。 但是 ， BEPC憑借優(yōu)異的表現(xiàn)和升級改造打敗了它 ， 成為該能區(qū)目前世界唯一、當(dāng)然也是世界最先進的正負電子對撞機 。
直線加速器局部（實拍）
BEPC從1984年開始動工建設(shè) ， 1988年10月建成 ， 建成運行后 ， 取得了許多世界級的研究成果 。 比如 ， 1992年 ， 我國高能物理學(xué)家利用BEPC精確測量了t輕子的質(zhì)量 ， 把當(dāng)時世界上t輕子的測量精度提高了7倍……我國科學(xué)家們?nèi)〉玫某删?， 令大洋彼岸的美國人眼紅 。

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