1988年10月16日凌晨，中國科學(xué)院高能物理研究所的總控室燈火通明，科學(xué)家們屏息凝神，5時56分，我國第一座高能粒子加速器—北京正負(fù)電子對撞機(jī)開啟了首次對撞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)非常成功！當(dāng)時，《人民日報》報道稱，“這是我國繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后，在高科技領(lǐng)域又一重大突破性成就”。

沒有對撞機(jī)，世界會怎樣

面對微觀的粒子世界，科學(xué)家一直在尋找揭示其真相的手段，高能粒子加速器就是觀察微觀世界的“顯微鏡”，北京正負(fù)電子對撞機(jī)便是一種大型高能粒子加速器。

在著名科幻作家劉慈欣的小說《三體》中，曾經(jīng)描繪過一個場景，三體人入侵地球，首先控制了地球上所有高能粒子加速器，結(jié)果導(dǎo)致地球科技發(fā)展陷入了停滯，人類文明深陷泥沼。沒有了高能粒子加速器，真會產(chǎn)生這么大的影響嗎？小說中的場景有些極端，但也從側(cè)面說明了高能物理學(xué)和粒子加速器的巨大影響力，這些大型的科學(xué)裝置的確是當(dāng)今物理學(xué)取得突破的關(guān)鍵一環(huán)。我們熟悉的諾貝爾獎得主楊振寧、李政道都是粒子物理學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家。2012年，歐洲科學(xué)家憑借世界上最大的粒子加速器發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”—希格斯玻色子粒子，也引起了全世界的轟動，相關(guān)科學(xué)家則獲得了2013年的諾貝爾物理學(xué)獎。

中國對撞機(jī)的世界級成就

北京正負(fù)電子對撞機(jī)簡稱為BEPC，占地總面積達(dá)57500平方米，從天空俯瞰，它就像一個羽毛球拍，有一部分是圓形，有一部分是直的。正、負(fù)電子在對撞機(jī)內(nèi)部可以加速到接近光速，并在指定的地點(diǎn)發(fā)生對撞，科學(xué)家則會觀測對撞產(chǎn)生的粒子特征，從而進(jìn)行研究。世界各國發(fā)展粒子物理實(shí)驗(yàn)研究主要依靠國際合作，但沒有頂級的粒子加速器就無法在高能物理領(lǐng)域獲得合作機(jī)會。BEPC投入運(yùn)行之后，中國科學(xué)家才終于有了更多話語權(quán)，有條件作為東道國組織各國科學(xué)家進(jìn)行大規(guī)模的物理實(shí)驗(yàn)，也取得了很多科學(xué)成果。

BEPC自1990年運(yùn)行以來取得了很多研究成果，后來經(jīng)過改造升級更是取得了世界級的科研突破，如：τ輕子質(zhì)量的精確測量；20億～50億電子伏特能區(qū)正負(fù)電子對撞強(qiáng)子反應(yīng)截面（R值）的精確測量；發(fā)現(xiàn)“質(zhì)子-反質(zhì)子”質(zhì)量閾值處新共振態(tài)，引起了國內(nèi)外高能物理界的廣泛關(guān)注。

2009年7月，BEPC完成重大改造，成為國際上最先進(jìn)的雙環(huán)對撞機(jī)之一。新一代BEPC的成功使中國高能物理在加速器和探測器技術(shù)上實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，保持發(fā)展了中國的國際領(lǐng)先優(yōu)勢。2013年，新一代BEPC有了一個讓物理學(xué)界振奮的新發(fā)現(xiàn)：某種粒子是由4個夸克組成的。在已知的物質(zhì)世界中，強(qiáng)子（比如中子、質(zhì)子與各種介子）均是由2個或3個夸克組成的—傳統(tǒng)夸克模型認(rèn)為，介子由1個夸克和1個反夸克組成，中子和質(zhì)子是由3個夸克或3個反夸克組成。2013年中國科學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)了一個被命名為Zc（3900）的結(jié)構(gòu)，是由4個夸克組成的，這成了當(dāng)時整個基礎(chǔ)物理學(xué)界的大新聞。

為“非典”做過貢獻(xiàn)的對撞機(jī)

2003年，“非典”疫情肆虐，大量患者和醫(yī)護(hù)人員罹難，疫情超出了醫(yī)學(xué)界的想象。作為一個高能物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置，北京正負(fù)電子對撞機(jī)是如何為解決“非典”做出貢獻(xiàn)的呢？原來，在2002年，北京正負(fù)電子對撞機(jī)就建成了同步輻射系統(tǒng)，這是我國第一個專門用于生物大分子結(jié)構(gòu)分析的同步輻射光束線實(shí)驗(yàn)站。在生物大分子光束線站，科學(xué)家首次獲得了SARS病毒蛋白酶大分子結(jié)構(gòu)。這套裝置已成為我國結(jié)構(gòu)基因組研究的一個重要平臺。

化學(xué)界對同步輻射系統(tǒng)的利用更加普遍，在這個“大眼鏡”的幫助下，2003年、2006年、2009年和2012年的諾貝爾化學(xué)獎均花落蛋白質(zhì)晶體領(lǐng)域。為什么蛋白質(zhì)晶體研究必須要利用同步輻射呢？原來對于蛋白質(zhì)晶體研究來說，如果長時間輻照就會導(dǎo)致蛋白質(zhì)死亡，無法獲得其結(jié)構(gòu)。但同步輻射比普通X射線源強(qiáng)度高，能夠在蛋白質(zhì)死亡前就獲得晶體衍射數(shù)據(jù)，足夠獲知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。SARS病毒蛋白酶大分子結(jié)構(gòu)的研究，就是一種蛋白質(zhì)晶體研究。

粒子加速器的同步輻射系統(tǒng)在材料科學(xué)、地球科學(xué)、化學(xué)化工、環(huán)境科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、微電子技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)和考古等研究領(lǐng)域也取得了一大批研究成果，改變著我們的生活。以考古學(xué)為例，2008年，法國發(fā)現(xiàn)大量白堊紀(jì)中期的動物化石，總共356種化石，全部夾在完全不透明的琥珀中。后來，古生物學(xué)家想到了同步輻射系統(tǒng)，在該裝置的幫助下，琥珀所包裹的內(nèi)部物質(zhì)展現(xiàn)出來了，其中包括蒼蠅、螞蟻、蜘蛛、螨等生物，解決了古生物學(xué)家頭疼了若干年的大難題。

現(xiàn)在，中國高能物理領(lǐng)域的科學(xué)家將對最前沿?zé)狳c(diǎn)—希格斯玻色子粒子研究發(fā)起挑戰(zhàn)，中國的新一代對撞機(jī)—環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)，也正在規(guī)劃建設(shè)中。希格斯玻色子粒子研究是世界物理學(xué)的前沿領(lǐng)域，建設(shè)新的大型對撞機(jī)也將給中國科學(xué)家?guī)砣聶C(jī)遇。屆時，中國高能物理學(xué)家將邀請各國學(xué)者，一起在新的大型實(shí)驗(yàn)裝置上展開探索，向新的科學(xué)高峰進(jìn)軍。 （杜 涉）