天安門廣場向西約15公里，形似一只羽毛球拍的北京正負電子對撞機大部分結(jié)構(gòu)由北向南臥在地下，它由一臺長202米的直線加速器、一組共200米長的束流輸運線、一臺周長240米的儲存環(huán)加速器、一座高6米重700噸的大型探測器“北京譜儀”和14個同步輻射實驗站等組成。

除了2004年至2008年進行的重大改造工程以及每年的檢修時間，在這個地下的龐然大物里，正負電子幾乎一刻不停地對撞，產(chǎn)生各種粒子事例，由布設(shè)在對撞區(qū)周圍的譜儀捕捉，再由科學家初選出事例、進行物理分析。

進入中科院高能物理所44年，張闖幾乎參與了北京正負電子對撞機及其重大改造工程的全過程。“在世界上最權(quán)威的粒子數(shù)據(jù)表上，北京譜儀測量的數(shù)據(jù)超過1000項，每一項數(shù)據(jù)就是一項成果。可以說，粲物理領(lǐng)域的絕大多數(shù)精確測量都是北京譜儀合作組完成的。”張闖很驕傲，他和他的同行，見證了北京正負電子對撞機成就的粲物理領(lǐng)域30年領(lǐng)先。

超高能研究必須對撞

高能物理所研究員、北京譜儀III發(fā)言人苑長征介紹說，北京正負電子對撞機是一臺高能加速器，它提供的正負電子束流主要做兩件事：一是高能物理實驗，即北京譜儀實驗，產(chǎn)出了一系列重大成果;二是同步輻射應(yīng)用研究，也就是利用對撞時產(chǎn)生的同步輻射光供諸多學科領(lǐng)域開展研究，每年有大約500多個實驗在這里完成。

張闖研究員展示了一張漫畫，兩只小松鼠站在機器的兩頭，手中各拿著一個核桃，“把核桃往地上扔可能打不開，但讓兩個核桃高速對撞可能就能撞開。我們實際上就是要把粒子對撞打開，看里面是什么東西。速度越快、撞得越碎，越可能有所發(fā)現(xiàn)。”他用這個例子解釋了“為什么要對撞”。

“如果不對撞，而是用電子束打靜止靶，產(chǎn)生的有效的相互作用能量要小得多。1954年，著名的物理學家費米提出建造質(zhì)心能量為3TeV的高能加速器，按當時的技術(shù)，采用打靜止靶的方案，需要加速器的半徑達到8000公里，比地球還要大;而歐洲強子對撞機的半徑只有4.3公里，就達到了13TeV的質(zhì)心能量，所以超高能研究一定要讓兩個束流進行對撞。”張闖說，但是束流對撞要求粒子多、截面積小、頻率高，才能獲得足夠高的對撞亮度，因此難度也大得多。

“正負電子不斷對撞，科學家獲取分析對撞產(chǎn)生的大量事例，看其中是否可能有一些稀有現(xiàn)象，披沙揀金一般，各種新粒子都是這樣現(xiàn)身的。”張闖說。

在億萬粒子中找不同

在粲物理領(lǐng)域，絕大多數(shù)精確測量都是北京譜儀合作組完成的。

這來源于北京正負電子對撞機的卓越性能。“1988年10月16日對撞成功，運行30多年。對撞機是經(jīng)過幾代人的努力做出來的，我們這一代曾面臨康奈爾大學的挑戰(zhàn)，對方把能量降下來和我們競爭，一時間超過了我們，我們做了重大改造，在世界同類型裝置中繼續(xù)保持領(lǐng)先地位。”張闖說。2004年改造以前，對撞機以一對束團，每秒對撞約一百萬次，2008年完成改造后，它成為目前的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，約100個束團，每秒對撞約一億次，加上其他性能的提升，亮度比改造前提高了100倍。

在粒子物理領(lǐng)域存在三個研究前沿，分別是高能量前沿、高強度前沿、宇宙學前沿，北京正負電子對撞機處于高強度前沿，另外兩端分別有大型強子對撞機(LHC)、國際直線對撞機(ILC)、未來環(huán)形對撞機(CEPC和FCC)等和高山宇宙線、空間探測器、望遠鏡等。

站在極廣大和極幽微的端點，物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究尺度不同。張闖的講述中，在20世紀初，人類認識的世界小到10的-10次方米的原子，大到10的11次方米遠的行星。到1930年代，這個范圍擴大到原子核和恒星。到了2000年，依托大科學裝置，人類的視野深入到10的-18次方米的夸克、擴展到10的25次方米遠的浩瀚太空。對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索是人類一步步走出洞穴的過程。

令人驚喜的是，接受采訪時，苑長征表示最近有一個重要發(fā)現(xiàn)：北京譜儀Ⅲ合作組(BESⅢ合作組)發(fā)現(xiàn)正負電子對撞中蘭布達超子存在橫向極化，合作組利用2009年和2012年采集的13億粲偶素數(shù)據(jù)，選出了純度高、質(zhì)量好的42萬事例，發(fā)現(xiàn)由此產(chǎn)生的蘭布達超子存在高達25%的橫向極化。這項成果剛在英國《自然·物理》雜志刊出。

為牽頭大科學計劃樹立規(guī)范

張闖打開電腦，進入對撞機的顯示頁面，屏幕上兩條曲線沿時間軸向前推移，一條代表正電子流強的紅線，一條代表負電子流強的藍線，高點約在600毫安，大概一小時后，兩條線勻速降至低點，約450毫安，這代表粒子數(shù)量越來越少，控制室的工作人員操作按鍵，注入正負電子，曲線抬頭，繼續(xù)每秒一億次的對撞。

來自全世界14個國家、64所研究機構(gòu)的400多名科學家，每天都可以在世界各地點開這個頁面，看到兩條曲線。

“從1989年開始實驗起，就建立起北京譜儀合作組，這個合作組三十年來一直在一起做實驗，是很不容易的。”張闖說，這套由中國牽頭的國際重大科學裝置的合作規(guī)則，也是北京正負電子對撞機的寶貴經(jīng)驗，為后來者做出示范。

它將來會不會壽終正寢?張闖很坦然：我們的優(yōu)勢還會保持十年以上，這十年要繼續(xù)做實驗，比如繼續(xù)研究輕強子譜和新強子態(tài)等，根據(jù)實驗結(jié)果，看是否需要進一步提高性能。

近幾年，關(guān)于中國是否要建造環(huán)形正負電子對撞機(CEPC)的爭論持續(xù)進行。去年底，兩卷本的環(huán)形正負電子對撞機《CEPC概念設(shè)計報告》正式發(fā)布。前幾天楊振寧在公開演講中重申反對建設(shè)的觀點，再次將爭論擺上臺面。

“有爭論很正常。”張闖不假思索，“但科學研究會找到自己的方向，比如我們的對撞機繼續(xù)向前走，有需要可能再改造。如果暫時不能做高能量前沿，還可以做高強度前沿。如果因為經(jīng)費或者技術(shù)原因不能做，可以等將來成熟了再做。”

“但最好能盡快挺進高能量前沿。”他補充。較量不可避免，“除了歐洲的FCC，日本還可能要做ILC，國際上既有合作、也有競爭。當然，希望下一代最強對撞機依然在中國。”張闖笑說。

關(guān)鍵詞： 超高能研究