我國首個大科學裝置運作30餘年 北京正負電子對撞機領跑世界最前沿

日期:2022-12-27 07:05    來源:北京日報

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  原標題:我國首個大科學裝置運作30餘年 北京正負電子對撞機領跑世界最前沿

北京譜儀Ⅲ實驗國際合作組發言人、中科院高能物理所研究員李海波(右)與北京譜儀Ⅲ實驗國際合作組聯合發言人、中國科學院大學教授呂曉睿(左)在北京譜儀對撞區查看設備情況。

北京譜儀Ⅲ實驗國際合作組發言人、中科院高能物理所研究員李海波(右)與北京譜儀Ⅲ實驗國際合作組聯合發言人、中國科學院大學教授呂曉睿(左)在北京譜儀對撞區查看設備情況。(和冠欣 攝)

  自天安門廣場一路向西,復興路北側,中國科學院高能物理研究所院內,一座形如羽毛球拍的建築就是北京正負電子對撞機的所在地。這是我國首個大科學裝置,也是我國第一座高能加速器。運作30餘年間,幾乎每秒都有上千個粒子在其中高速奔跑、對撞、湮滅。大型探測器北京譜儀Ⅲ則是對撞機的“眼睛”,“目不轉睛”地記錄著每個粒子的飛行軌跡。

  “這些帶電粒子的軌跡,就像流星雨劃過天際。”北京譜儀Ⅲ實驗國際合作組發言人、中科院高能物理所研究員李海波緊盯譜儀控制室大螢幕上顯示出的單事例粒子軌跡,生動地描述。每年的11月到次年6月,是北京譜儀Ⅲ最忙碌的時段——譜儀將連續收集數以萬億計的對撞數據。

  從正面看,北京譜儀Ⅲ的主體結構是一個正八面體。經過北京正負電子對撞機的加速,接近光速的正電子和負電子分別從兩側飛入,並在譜儀的正中區域完成對撞。隨後,帶電粒子將在我國單體最大的超導磁體作用下,在1萬高斯的均勻磁場中發生偏轉,不同種類的粒子隨即飛往不同方向。

  這個過程就像在微觀世界打檯球。每個粒子的産生發生在飛米級尺度內——這一單位比奈米還要小100萬倍。而成人一根頭髮的直徑大約是6萬奈米。

  緊盯“檯球賽”的一舉一動,是北京譜儀Ⅲ的重要作用。“建設譜儀時,我們要用4萬多根電纜線把每個子探測器資訊傳送到中央控制臺。”李海波解釋,只要裝置內出現對撞事件,譜儀內的探測器就會以最快幾十皮秒級的時間解析度,拍下粒子飛行的詳細軌跡。

  自1988年10月16日,北京正負電子對撞機首次對撞成功至今,裝置多次升級。除工程改造及檢修時間外,這裡的粒子撞擊一刻不停。作為當前國際上唯一一台運作在20億至50億電子伏特能區的高能粒子對撞機,它産出了粲物理領域絕大多數的精確測量成果——在世界最權威的粒子數據表上,北京譜儀合作組測量的數據超過了1000項。

  “譜儀的線上數據獲取能力能夠支援每秒處理6000個有效對撞事例。”北京譜儀Ⅲ實驗國際合作組聯合發言人、中國科學院大學教授呂曉睿介紹,每年,譜儀系統後臺收集的數據總量有上百萬億字節,需要上萬個中心處理器同時展開數據處理。合作組的軟體組研究人員要用大約一年的時間進行數據校準,才能真正提供給科研人員開展後續研究。

  這些數據共用給來自16個國家、84個研究機構的500余位科研人員。北京譜儀實驗擁有目前國內正在運作的最大國際合作組。利用裝置産出的科研數據,科研合作組已發表了500余篇高水準科研論文。

  2022年6月,裝置“撞”出的一項成果登上了《自然》雜誌。科研合作組利用北京譜儀Ⅲ收集的13億個J/psi粒子衰變事例,完整乾淨地重建出7萬餘個處於量子相干狀態的正反科西超子對,完成了世界上最精確的正反科西超子衰變參數和不對稱性測量。目前,北京譜儀Ⅲ歷時4個月完成了約100億個J/psi粒子的獲取,科研人員期待進一步改進測量的精度。

  李海波自豪地説:“我們已經站在了世界的最前沿。在這個能區,國際上沒有第二台同類型的裝置。”預計到2024年,北京譜儀將再升級。“物理研究又會開闢出一片新的、從沒有任何一個實驗研究過的領域。”呂曉睿説。(劉蘇雅)

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