正負電子對撞機

正負電子對撞機是一個使正負電子產生對撞的設備，它將各種粒子（如質子、電子等）加速到極高的能量，然後使粒子轟擊一固定靶。通過研究高能粒子與靶中粒子碰撞時產生的各種反應研究其反應的性質，發現新粒子、新現象。正負電子對撞同樣也是一種正負粒子碰撞的機制，正電子與負電子在自然界已有產出，人們研究微電子粒子的結構特性，是當今高能粒子物理量子力學的最前沿的科學。那自然界有正負電子對撞機的機制嗎？這一機制自然界會天然存在嗎？新發現，新探索，在隕落的隕石中就存在著自然界的正負電子對撞機制，這一現象也只能用高能物理的量子力學與四維空間維度解釋。

基本介紹

• 中文名：正負電子對撞機
• 外文名：electron-positron collider
• 屬於：使正負電子產生對撞的設備，
• 作用：將各種粒子加速到極高的能量
• 世界存有：有10多台
• 屬於：量子力學

原理

用經加速器加速的高能粒子轟擊靜止的靶，就像在一起交通事故中的一輛汽車撞到一輛停在路邊的汽車上，撞車的能量很大一部分要消耗到使停在路邊的汽車向前衝上，碰撞的威力就不夠大。如果使兩輛相向開行的高速汽車對頭相撞，碰撞的威力就大許多倍。基於這種想法，科學家們在70年代初研製成功了對撞機。世界上已建成或正在興建的對撞機有10多台。科學發現自然，自然驗證科學。發現自然界自我組裝生成的電子正負電子對撞機制的存在。

正負電子對撞機

隕石中的正負電子對撞機制

歷史淵源

1988年10月竣工的北京正負電子對撞機，是國際科技合作的結晶。我國科學家以務實、創新的精神，積極與世界各大高能物理實驗室合作，並引進了大功率速調管、快電子學等國際先進技術，使其成為該工作能區國際領先的對撞機。

1989年12月8日，北京正負電子對撞機同步輻射裝置通過國家鑑定。由29位專家組成的鑑定委員會認為，北京正負電子對撞機同步輻射裝置開始投入運行，為自然科學研究、技術科學發展和工業套用提供了良好的條件，必將對促進各學科的相互滲透和對諸多領域學科的發展帶來巨大的推動。

據介紹，北京正負電子對撞機的儲存環有高能物理實驗與同步輻射兼用模式和同步輻射專用模式。在儲存環外圍有兩個同步輻射實驗室。第一期計畫建成了三個前端區和三條光束線，在光束線上，專家們利用聚焦X光和真空紫外光做了雷射晶體材料的X光激發發光實驗，觀測到一些國內外尚未得到過的、有價值的新現象。還利用同步輻射光源提供的高亮度X光，幾十秒鐘即可完成對單根頭髮絲進行的X光激發螢光譜分析，達到了國外實驗室所能達到的最高水平。這項裝置的運行使用，將提供從真空紫外光到硬X光的很大光譜範圍的同步輻射光，供生物物理、生物化學、光化學、固體物理、原子和分子物理、表面物理、材料科學、計量標準及醫學研究等方面的套用。

正負電子對撞機

1989年對撞機投入高能物理實驗，建立了以中國科學家為主導的北京譜儀合作組，美國十多所大學和研究所的科學家參加合作研究，在τ-粲物理領域做出了國際一流的成果，例如中美科學家1991年在北京譜儀上合作完成的τ輕子質量的精確測定，被李政道教授譽為當年“高能物理界最重要的發現”。

對撞機又作為同步輻射裝置，在凝聚態物理、材料科學、地球科學、化學化工、環境科學、生物醫學、微電子技術、微機械技術和考古等套用研究領域取得了一大批驕人的成果。利用同步輻射光對高溫超導材料進行的深入研究；對世界上最大尺寸的碳60晶體以及在0.1-0.3微米X射線光刻技術的研究均取得重要突破；在微機械技術方面，製成了直徑僅4毫米超微電機，這種電機將能在醫療、生物和科研等方面有獨特的用途。

研究未有窮期。為探索物質奧秘並造福人類，我國科學家將在不斷認識微觀世界的跋涉中繼續奮進。

身兼北京正負電子對撞機重大改造工程經理，中科院高能所所長陳和生如此激動的理由很充分，“這次正負電子束流對撞成功，是新雙環對撞機的第一次電子對撞，意味著改造工程雙環對撞方案的成功，同時也顯示出重大改造工程更有信心地進入最後一個階段。”奧運年將是北京正負電子對撞機重大改造工程的完工年。這項從2003年開始，耗資6.4億元、為期5年的大科學裝置改造工程分三個階段完成。2007年11月，儲存環單環改雙環這一最關鍵和最困難的環節已經度過，順利完成對撞機重大改造工程的第二階段任務，剩下就是安裝對撞機上的大型粒子探測器北京譜儀的任務。

正負電子對撞機

改造工程採用的是世界先進的雙環交叉對撞方案，原先電子只有一條“光速跑道”，改造後正負電子各占一條“跑道”進行大角度水平對撞，對撞機性能將提高100倍。不過，改造難度也是超乎想像，十幾噸的設備不能使用大吊車安放，數萬根電纜一根都不能接錯，這些僅僅是改造工程千頭萬緒的幾縷。

“比如隧道原來是給單環設計，空間狹小，現在安裝雙環就擁擠到了極點。國外成功的雙環對撞機是在80米距離內實現電子對撞再分開，我們必須在28米內實現。”陳和生說，改造中許多技術和設備國內從未有過，而高能物理對撞機的加工精度比航天、航空領域還要高。

北京正負電子對撞機在我國大科學裝置工程中赫赫有名，為示範之作。1988年10月16日凌晨實現第一次對撞時，曾被形容為“我國繼核子彈、氫彈爆炸成功、人造衛星上天之後，在高科技領域又一重大突破性成就”。北京正負對撞機重大改造工程的實施，將讓這一大科學裝置“升級換代”，繼續立在國際高能物理的前端。

先進行列

“核子重如牛，對撞生新態”。李政道曾為國畫大師李可染講述人類可以通過重離子對撞探索宇宙奧秘。李可染為科學奇觀深深感染，欣然落筆繪就了一幅體現對撞內蘊的二牛抵角相峙圖。作為探究微觀世界中的最小構成單元及其相互作用規律的工具，正負電子對撞機超前的作用和意義遠遠超出當時人的想像。

同時，作為典型的大科學裝置工程，對撞機建設規模巨大，大量採用世界上最先進的高技術，具有投資高、投入人力資源量大和建造周期長等特點。1984年10月，北京正負電子對撞機動工興建，在當時的國民經濟發展形勢下，國家向對撞機投入了2.4億元。

當年在北京西郊玉泉路，鄧小平興致勃勃地為北京正負電子對撞機動工揮鍬送出第一塊奠基土。針對當時對撞機建設是否“超前”的爭議，他對周圍人說：“我相信，這件事不會錯。”

談到北京電子正負對撞機，中科院院長路甬祥說，“我們很難構想用別人的儀器，觀測到人家沒有觀測到的現象。”

“北京正負電子對撞機建成，奠定了中國在國際高能物理界的地位。”陳和生1984年到高能所工作，到2003年接受對撞機重大改造工程經理一職時，已在高能所工作近十年。

北京正負電子對撞機重大改造工程完工後，將成為世界上最先進的雙環對撞機之一。

科技創新

走進高能所大樓，經常能碰到來為對撞機做實驗的外國科學家。陳和生有時候會給他們解釋一樓大廳兩邊牆上的兩排字。一排是周恩來總理1972年9月給18位科技工作者來信的重要批示：建立我國自己的高能物理試驗基地“這件事不能再延遲了”，另一排就是鄧小平在對撞機第一次成功對撞後所說的“中國必須在世界高科技領域占有一席之地”。

對撞機的建成大大促進了我國高能物理的國際合作。中國通往網際網路的最早出口就在高能所，並且最早使用網頁來交流信息，那時候，大部分電腦還停留在孤島和字元時代。

國際合作是世界各國發展粒子物理實驗研究的基本方式，但直到北京正負電子對撞機建成並投入運行之後，中國才終於有條件作為東道國組織多國科學家參與的、大規模的物理實驗，進行中方為主的國際合作。

“這樣的好處在於，我們隨時可以掌握國際高能物理的最新動態，精準地判斷研究方向，及時啟動國際高能物理學界最關心和最急需解決的研究課題。”陳和生說。北京正負電子對撞機為自己也為科學撞出了一番新天地。“τ輕子質量的精確測量”被國際上評價為當年最重要的高能物理實驗成果之一；“2—5GeV 能區的R值測量”結果，促使2002年國際粒子數據手冊將多年不變的R值圖做了重大改動，從2000年起至今，所有的高能物理會議都引用這一測量結果；2003年，李政道先生專門寫信到高能所祝賀一個新短壽命粒子的發現：“這是一個十分重要的成果，也是物理學上很有意義的工作。”

正負電子對撞機

“任何一個大科學裝置，都會自然而然成為一個小型科學研究中心。”陳和生說，高能所的定位就是以大科學裝置為依託的多學科綜合性研究機構。

和高能物理研究打了一輩子交道的方守賢院士認為，高能加速器是最前沿的科學技術，必然向經濟技術領域轉移，並產生巨大效益。北京正負電子對撞機的建成運行，在國內發揮了示範作用，也使我國電子學、微波和高頻、超高真空等方面有了較大突破和提高，有力地推動了我國機械、電子工業技術的發展。

“這裡會是科技創新的沃土。”陳和生說，北京正負電子對撞機重大改造工程建設大量採用國際上先進的高精尖技術，對於我國相關高科技技術和產業來說，又將是一次重要的發展機遇。

偉大貢獻

文字實錄

[主持人]:

剛才兩位老師給我們介紹了一些套用。剛才張老師介紹了，中國也有我們自己的對撞機，叫北京正負電子對撞機。能不能介紹一下中國自己的對撞機的一些情況。

[張闖]:

我注意到在網上很多網友談到歐洲強子對撞機的時候有很多評論。特別是說看了以後才知道這個東西非常微妙，也有的說看了以後才知道我們中國還有多大的差距，也有的網友很關心，說我們中國也參加了這個合作。有的說我們的貢獻是不是太小了。還有的說，我敢肯定中國也有，而且將來一定會有更好的。我們知道網友對這個事情非常關心，中國在這方面到底是什麼情況。

[張闖]:

我們也有一個對撞機，就是北京正負電子對撞機，我們說有兩個，一個是原來的單環的北京正負電子對撞機，1984年破土動工，小平同志親自為它奠基，到1988年正式對撞，工作了大概20年左右，21世紀初期我們進行了改造，建造了雙環的北京正負電子對撞機，這個機器是我們所工作的園區叫套和顫物理園區，這在國際上占領先地位的，而且它建立了以北京譜儀為基礎的國際合作，這是一個非常前沿的、先進的國際合作組，在這個領域中取得了很好的成果。

[張闖]:

我看到一個雜誌上有一篇文章。他就講到成千上百的美國科學家飛到北京來參加北京的試驗，經過最近的改造，北京正負電子對撞機性能有了提高，成為國際領先的對撞機。我們國家經過這么多年的努力，在國際究領域裡面占了很大的作用。

[陳國明]:

北京正負電子對撞機能量比較低，只有3.5金伏，和我們講的LHC相差三個量級。但是它做的工作的物理意義很重要的，它和LHC的內容不一樣。我們知道講6個夸克，正反夸克強子下面一個分類，叫做介子，假如有三個夸克組成的叫做重子，也是強子裡面的重。還有沒有其他的物質形態？比如有四個夸克組成的、五個夸克組成的，有很多膠子組成的膠子球，基本的物質形態假如不是我剛才講的介子和重子，那就是重大突破，就是我們物質世界新的物質形態，這對以後的套用也是無可估的。

[陳國明]:

北京的正負電子對撞機主要是想找這些東西，有沒有這些新的物質形態，普通的物質是由質子、中子組成的，都是三個夸克組成，叫做重子。假如都是重子，5夸克、6夸克，就是膠子球的，這樣的話，是完全不同物質形態不一樣，就會造成其他的物質形態了，這就是非常重要的。

[主持人]:

這也是我們北京正負電子對撞機研究的目的。剛才張老師介紹了，北京的正負電子對撞機最早是從1984年開始動工，當時的情況，80年代初期，應該說，我們的科研環境，包括經費，可能經濟環境還不是很好，包括您說小平同志都很重視破土的奠基儀式，為什麼會得到國家這么大的重視？

[張闖]:

剛才主持人問到了，當初對撞機建立的時候也有這樣的爭論，中國這樣一個開發中國家，想做加速器、對撞機是一個長遠的目標，不能解決當前最緊迫的研究，到底應該放在什麼樣的地位，小平同志在對撞機建成以後，1988年視察了北京的正負電子對撞機，他作了一個很重要的講話，這個講話就是中國要在高科技領域占有一席之地。一開始小平同志舉了一個例子。

[張闖]:

談到對撞機，我先說一個故事，有一位歐洲的朋友，這個朋友就是我們強子對撞機的研究所所長，小平同志會見了他，他當時就問小平同志一個問題，就是說中國經濟也不太發達，為什麼要搞這個東西？小平同志回答說，這是為了將來，為了長遠的發展。小平同志接著說，中國一定要發展高科技，要在國際高科技領域裡面占有一席之地。回頭看小平同志當時的講話，確實非常有遠見。

重大成果

它曾為非典研究作過貢獻。北京正負電子對撞機的同步輻射系統曾於2002年建成我國第一個專用於生物大分子結構分析的同步輻射光束線和實驗站，這套裝置已成為我國結構基因組研究的一個重要平台。在生物大分子光束線站上，首次獲得了SARS病毒蛋白酶大分子結構。

另外，目前材料界最時髦的納米結構研究也多在對撞機的同步輻射站上進行。 自然界自存在的正負電子對撞機制，自然驗證科學，科學發現自然。

自然界自存在的正負電子對撞機制。