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为什么国家决定再投6.4亿元改造中国加速器(组图)http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2004-02-18
为了让已经运行15年之久的加速器10年后继续保持青春活力，国家决定再投6.4亿元对其进行改造。加速器为中国科学家搭建了一个或许能出诺贝尔奖成果的平台 加速器！加速器！ 庞然大物 它静静地横卧在北京八宝山的东侧。即使走近它，也很难感觉到它的存在，除了偶尔听到冷却塔中的流水声。多年来，甚至很多住在附近的居民都不知道它的存在。 它被埋在地下三米深的隧道里，在地面露出的只是一排两层楼高的普通房屋。如果在它“醒着”的时候走进隧道，将是极其危险的。它在工作时放出的射线，将比常规X光机强100万倍。 它的形状像一个长把柄的“羽毛球拍”。球拍的把柄是202米的直线加速器，240米的圆形储存环如同球拍的圆框，把柄和圆框由60米长的圆弧形输运线连接。 它真是一个庞然大物。围绕在它的储存环周边的是108块巨大的磁铁———40块黄颜色的磁铁，每块重8吨；68块蓝颜色的磁铁，每块重2吨。在“羽毛球拍”的顶端是一台记录用的仪器，重达500吨。它的总重量接近1500吨，占地达7.7万平方米。 当初建造它时国家投入了2.4亿元巨资。从1984年开工建设到1988年工程完工，它的建造速度创下了一个奇迹。在它开工那天，邓小平亲自铲了第一锹土。竣工时，邓小平再次亲临现场为它剪彩。 它现在每年连续运行10个月，三个黄金周长假也不休息。每年有来自国内外的300多位科学家等候在它身边，排队进行各项研究。在相对潮湿的夏季，它才有两个月的“空闲”，工作人员利用这段时间对它进行全面的身体检查。 它命运多舛，几度争论，几度落马。最终它用事实证明，它是确保“中国科学能在世界高科技领域占据一席之地”的利器。 它的按时、按质和不超预算的建成，成为当时中国大科学工程的典范。2003年，为了让它能在10年后继续保持“青春”，国家决定对它再投6.4亿进行改造。 它在国际高能物理界早已声名显赫，然而普通市民却对它很陌生。它就是人们通常所说的加速器，不过正式名称却是“北京正负电子对撞机”。 精彩之事 正月初八一大早，冼鼎昌刚到办公室，电话就响了。“你们做的这个真是太精彩了。”一位瑞典的著名生物学家在电话中兴奋不已。 冼鼎昌是中科院院士、中科院高能物理研究所研究员。多年来，他一直负责北京正负电子对撞机同步辐射实验室的研究。他的这位瑞典朋友所说的精彩之事，是中科院生物物理所梁栋材院士在春节前完成的一项研究：他们利用北京正负电子对撞机的同步辐射光源，解析出了世界上第27个膜蛋白的三维结构。 “我知道他们在做这个实验，也知道他们做得很成功，但我们只负责提供光源，研究这个膜蛋白具体有什么价值，我并不知道，都是国外朋友告诉我的。”冼鼎昌说。许多“出口转内销”的评价使他相信，这是一个世界级水平的成果。 中科院生物物理所现任所长饶子和证实了这个消息。“论文已经被《自然》接受，而且是要作为重要文章发表。”他说，“目前论文正在接受专家评审，结果很快就会出来。” 由于论文还未正式发表，关于这项研究的更多信息还不得而知。但像这种文章还未发表就“在国际学术圈内已经传开了”的研究，在中国科学界并不多见。 就在几个月前，也是利用这个同步辐射光源，饶子和领导的科研小组在世界上率先解析出SARS病毒主要蛋白酶的三维结构。(详见《南方周末》2003年12月11日科学版)“没有同步辐射光源，科学家就像瞎子，你说花花世界很漂亮，但他看不见。”冼鼎昌打了个比方。 其实提供同步辐射光源只是北京正负电子对撞机一个“捎带”的功能，它的最重要的用途是寻找新的粒子。这是当前粒子物理研究的一个热点，也是历年来屡获诺贝尔奖的“大户”。 “虽然目前科学研究的热点已从物质科学逐步向生命科学转移，但是，生命也是物质构成的，研究物质结构、宇宙起源依然是世界科技界共同关注的问题。”全国人大常委会副委员长、中科院院长路甬祥日前在高能所视察时指出。 2003年7月，中美高能物理学家在对撞机上首次发现一个新粒子。“在我们熟悉的能量曲线中出现了一个陌生的‘山峰’，显然这是一个新的粒子。”高能所现任所长陈和生告诉记者。 这个结果很快发表在《物理评论快报》上，并引起了国际高能物理界的重视。 不过这还不是对撞机最杰出的作品。最早让它声名远扬的事件发生在1992年：它把理论物理标准模型中六种轻子之一的τ轻子的质量精度提高了10倍。这个成果被当年的国际高能物理学界评为最重要的进展之一。 “在最近几年内，在对撞机上还会不断涌现类似的生物大分子研究成果。5年后，高能物理的研究成果将越来越多。”陈和生说。 大科学工程 1986年，当23岁的罗小安大学毕业后分到高能所时，北京正负电子对撞机刚刚开始组装。就在两年前，经过“几起几落”的科学论证，原计划在北京十三陵水库建造的质子加速器方案被否决，国家最终同意了“既省钱又是将来研究热点”的对撞机项目上马。 “那时候钱真值钱，而且工程是小平亲自抓的，一切都是为了这个对撞机服务，不管赚不赚钱，所有的机器设备在规定的时间内必须完成，没有任何条件可讲。”罗小安说。他估计，如果现在要重建这个对撞机，费用至少在十几亿元以上。 18年后，对撞机改造工程正式启动，罗小安出任工程办主任，主要负责大额设备的采购和工程质量管理。“现在都讲经济效益，不让人家赚钱是不可能的。我们既要保证质量设计指标，又要尽量少花钱，经费紧张到了极点。”他说。 改造后的对撞机，将在现有的储存环内再增加一个储存环，这样正负电子束在碰撞后能够在不同的管道里运行，科学家就可以把进入储存环的电子束数量从原来的1束增加到93束。与之相对应的电子碰撞效率，也就增加了93倍。 直线加速器的加速功能和北京谱仪的探测性能也将得到进一步提升。另外，用于同步辐射的光束线还将增加至少3条。 “我们希望能够在2007年的春季开始调试，到2007年底机器能够达到设计指标。”罗小安说。届时，对撞机的研究效率将比现在提高100倍，同步辐射的性能也将大幅提高，硬X光的强度将提高一个数量级以上。 陈和生表示，这是一个既符合国际高能物理发展趋势，又符合中国国情和科技投入实力的方案。他介绍说，从最初的15亿元左右建设τ轻子工厂，到4亿元单环改造，再到最终的6.4亿元双环改造方案，目标就是继续保持它在同能量级别的机器中排名第一的位置，并且成为国际上最先进的双环对撞机之一。 “我们希望它能出原始性重大创新成果。”陈和生说，至于诺贝尔奖，“如果你不是老想着它，反倒有可能拿到。” 冼鼎昌则直言不讳：“我一点都不怀疑中国人能得诺奖，这是迟早的事。”他同时告诫说：“并不是武器越先进，就一定能打赢仗，最重要的还是使用武器的人。” “一个晚上就想出一个好实验不可能，有时候一个好实验要想几年。”他认为，中国需要这么一个场合，能够把生命科学、物理学、材料科学和微电子技术等多领域的专家聚集到一起，互相交流切磋，“没准就会有一个新的想法冒出来。” 相
关 为什么要建粒子加速器？如果要用一句话来回答，可以这样说：粒子加速器是人类认识微观世界的手段。 1609年，伽利略利用凸凹透镜的组合制成了望远镜和显微镜，分别用来观察天体和微观物体。这是科学史上的一个里程碑。人们开始用自己发明的工具观察物质的宏观世界和微观世界。 人们通过显微镜所能观察到的最小物体的尺寸受所用光线波长的限制，因此使用可见光的普通光学显微镜最小只能观察到细菌或大的病毒(尺度为0.4微米)。为了突破这个限制，需要用更短波长的光去照射被探测的物体。 1925年法国物理学家德布罗意提出：运动的粒子也具有波的性质。这就是波粒二象性。根据这个理论，电子的能量越大，相应的波长越短，用被加速的电子束照射物体，可以得到物体的放大图像，这就是电子显微镜的原理。电子显微镜可以观察到分子、原子尺度的微观物体。 这个理论也是加速器的基本理论。随着科学技术的发展，粒子加速器的能量越来越高，人类对物质的组成逐渐有了更深层次的认识：原子核是由质子和中子组成的，质子和中子是由夸克组成的。夸克是人类至今认识到的最小物质单元，它的尺寸小于10-16厘米。目前已经明确，夸克又有6种，它们和电子等6种轻子被认为是物质的最基本的组成单元。 北京正负电子对撞机的前端，也就是“羽毛球拍”的把柄，便是一台202米长的直线加速器。电子束由高压电子枪在其入口处注入，通过微波加速，在其出口处电子束的能量被增至1300MeV，速度接近光速。 当电子束经过这台直线加速器的1／10处时，会遇到一个金属钨靶，负电子在“轰击”它后就转变为正电子。科学家可以根据需要决定是否在电子束经过时放下金属钨靶。 在直线加速器的出口处有一块偏转磁铁。在磁场的作用下，正负电子分别从不同的方向进入输运线和储存环。 储存环是一个真空的跑道型铝质管道。以光速在这里反向运行的正负电子，还受到管道外巨型磁铁的控制。黄颜色的是弯转磁铁，它们引导着原本直线运行的电子束在环型管道内“转圈”；蓝色磁铁是聚焦磁铁，它们的作用是使电子束更加紧密，以增加碰撞几率。 “和两辆汽车相撞不同，电子束的对撞更像两个人面对面扔沙子。因为电子的尺寸只有10-15米，虽然每束电子流的数量有1011个，但只有很少的一部分才能真正碰到头，大多都擦肩而过了。”科研人员介绍说，“但由于电子是以接近光的速度运行，在240米的储存环里一秒种还是可以撞击127万次。” 在弯转磁铁的磁场中，电子束不断调整着前进方向。每当电子束拐弯时，它就会甩出一道“美丽的”光，这种新型的光被称为同步辐射。与一般的X光或激光不同，同步辐射不但可以像激光一样准直，而且它的光谱是连续的，可以包含从波长很长的远红外到波长很短的X光。 同步辐射的这些特性成为科学家研究微观精细结构梦寐以求的光源。梁栋材和饶子和等人的研究成果，便是在这些光束线上完成的。 在储存环的对撞处，也就是“羽毛球拍”的顶端，电子束对撞后将产生中微子、光子或夸克等粒子，其中也可能有先前未知的新粒子。那台重达500吨的仪器名为“北京谱仪”，在它庞大的“身体”里含有4万根纯金的细丝，每一个经过它的粒子都会留下运行轨迹和能量特性。 15年来，电子就这样不舍昼夜地在这里循环撞击着———科学家需要用海量的统计数据，来不断提高粒子各种特性的测量精度。（
南方周末）
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