每秒1億次的“鼻尖碰鼻尖”，北京正負電子對撞機如何對撞粒子？

北京正負電子對撞機（BEPC）主要用于研究基本粒子的性質和相互作用規律，探索物質的微觀結構和宇宙奧秘。具體而言，BEPC及其升級版BEPCII主要通過加速正負電子對撞，產生次級粒子，從而研究這些粒子的性質和相互作用。

想像一下，我們要讓兩束接近光速飛行的正負電子以最高2×2.8 GeV的高能量，在長度為240米，卻細如發絲的跑道上每秒對撞1億多次，而且每次碰撞都是“鼻尖對鼻尖”，這樣的高難度的碰撞究竟是怎樣做到的？

如何讓粒子發生高難度對撞？

北京正負電子對撞機（BEPC）把這道看似不可能的題目拆成了四步“絕技”：

第一步，先做出“子彈”：一根202米長的直線加速器像“電子機關槍”，將電子槍產生的電子加速后轟擊鎢靶，“砰”地打出大量正電子。負電子則由電子槍直接產生。產生的正負電子隨后被一起加速到1.4～2.8 GeV。

第二步，把子彈壓成“薄片”：正負電子束脈沖被送進240米的儲存環。環里彎轉磁鐵負責讓粒子拐彎，四極磁鐵和六極磁鐵像“透鏡組”把束流聚焦為垂直0.1毫米、水平1毫米的“紙片束”。束流越細，撞上的概率就越高。

第三步，讓薄片“疊”在一起：升級后的BEPCⅡ采用雙環交叉方案：正負電子不再共用一條跑道，而是各跑一個環，在交叉點相遇。每個環里正負電子束團的數目從單環時的1個提升至93個（每個束團中粒子數的量級為1011，即約含千億個粒子），于是93×93≈8600對“薄片”對撞，亮度比單環提高約100倍。

第四步，實時“糾偏”，實現閉環導航。環上裝了上百個“電子眼”（束流位置探頭、同步光探頭等）和一套計算機自動測量和控制系統，每毫秒測一次束流位置、角度、強度，并將誤差信號立刻反饋給磁鐵電源和高頻腔，以確保束流的穩定性和對撞效率。

通過以上技術，北京正負電子對撞機實現了高精度的束流控制和對撞性能，并為全球物理學家提供τ-粲能區最亮的實驗數據。

“τ-粲能區”獨占鰲頭的精確探測者

BEPC是目前世界上唯一工作在τ-粲（càn）能區（2-5 GeV）的正負電子對撞機，在這一能區積累了世界上最大的含粲夸克粒子樣本。

如果把BEPC看成一只“大胃王”，正負電子是它“做菜的原料”，那它最喜歡做的“菜”則是陶輕子（τ輕子，輕子的一種）和粲粒子（粲夸克相關的基本粒子）。為什么是它們？

因為BEPC的能量對它們來說是“量身定制”款。BEPC設計的束流能量為1.0-2.4 GeV，對撞質心能量為2.0-4.8 GeV，正好把粲夸克和反粲夸克一網打盡。

因為BEPC在該能區的亮度是“世界第一”。BEPC在工作的“τ-粲能區”（2-5 GeV）的亮度長期保持世界第一。1988年，在BEPC建成之初，其在2 GeV時的峰值亮度就達到 8×1030 cm-2 s-1，是當時世界上同能區亮度最高的加速器。2009年，BEPCⅡ升級改造后，其亮度再次提升約100倍，峰值亮度突破1033 cm-2 s-1，繼續穩居該能區第一，并超過了日本KEKB在該能區的表現，是康奈爾CESR-c同能區亮度的3-7倍。

因為BEPC具有物理測量方面的“獨家口味”。它能精確測量J/ψ（由粲夸克組成的一種粲粒子）的質量和寬度，驗證量子色動力學（QCD）勢模型。它能產生ψ(3770)，ψ(3770)幾乎100 %衰變到DD?（一個由D介子和其反粒子D?組成的系統），是測量D介子質量、壽命、強相位的“黃金工廠”。它能精確測τ輕子質量、反常磁矩。

綜上，BEPC的“心頭好”就是帶粲味的介子和τ輕子，它用240米的小個子，成為了全球最大的“粲工廠”。它不僅能研究高能物理領域的基本粒子，成為探索物質結構和宇宙奧秘的重要工具，還在生物、材料、物理、化學、環境、能源等多學科研究中發揮重要價值。

出品：科普中國

作者：楊超（深圳理工大學科普主管、中國科普作家協會會員）

監制：中國科普博覽