北京正负电子对撞机北京谱仪(BES)实验研究亮点

  • 校友会志愿者 黄荐(工程学院)
  • 日期:2021-09-09
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        7月22日下午,第十四期“李政道讲座”最后一讲,我们有幸请到了国科大物理学院副院长郑阳恒教授,讲座由清华大学崔伟教授主持。郑阳恒,1995年毕业于中国科学技术大学应用物理专业,随后前往美国夏威夷大学深造,分别在1997年、2002年获得粒子物理学硕士和博士学位。2002年~2003年继续在美国夏威夷大学进行博士后研究。2003年~2007年在加州大学洛杉矶分校物理系任博士后研究员及研究科学家职位。2007年至今担任中国科学院大学教授,期间先后担任北京正负电子对撞机BESIII国际合作组的物理组组长、物理协调人、执行委员会委员、联合发言人。2018年至今,推动高亮度正负电子对撞实验“超级tau-粲工厂”研发项目,担任项目经理。

郑阳恒教授

        郑阳恒讲座的主要内容包括BES的实验过程介绍,并通过几个研究亮点来解释背后的物理知识和实验技巧,之后回顾了李政道先生与北京正负电子对撞机的故事,最后展望了下一代高亮度正负电子对撞机的预研目标。

        对撞机和固定靶是常见的两种粒子加速器实验装置。其中,用高能粒子束轰击静止的粒子靶被称为固定靶,而对撞机是让两束高能粒子对头碰撞来获得更高的质心系能量。对撞机的储存环中通常有上百个束团,每个束团长1.5mm,宽0.38mm,厚度仅5.7微米,其中包含上百亿个电子,而正负电子束团横截面上的粒子分布近似于高斯分布。对撞非常重要的一个参数是对撞亮度,单位时间内能够发生的对撞数量越多,亮度就越高。比如,BESⅡ的亮度是BES的一百倍,那么现在一天内获得的实验数据就相当于之前的一百天。亮度与束团的数量成正比,与束团内电子数量的平方成正比,并且与束团的重复频率成正比。由于束团不能靠得太近,因此束团数量与重复频率是竞争关系。

       目前北京正负电子对撞机是在直线段进行加速,环形上的加速器作用是保持能量、提升亮度,对撞能量可达2.0-4.95 GeV。正负电子发生碰撞的过程需要由探测器来进行捕捉,像三明治一样包裹在对撞区外的各种探测器对不同粒子进行探测,其原理是利用粒子在气体中的电离、飞行时间、穿透性以及能量簇射等效应来分辨粒子种类。能够被探测器捕捉到的粒子有带电荷稳定粒子:电子、μ、K、π、质子,和中性稳定粒子:光子、中子。粒子物理不仅是物理的基础学科,也有一些前沿的应用,比如,用宇宙射线成像的方法,物理学家成功探测并绘制了金字塔的内部结构。北京正负电子对撞机(BESIII)目前在全球共有77个单位开展合作研究,国外单位31个,每年培养大约20位粒子物理实验方向的博士。

       北京正负电子对撞机的第一项成果是τ轻子质量的精确测量。1990年~1991年,国际上对τ轻子的寿命和衰变分支比做了大量的实验测量,结果出现了矛盾。科学家猜测可能的原因是τ轻子质量数不对,或者“轻子的弱相互作用普适性原理”有问题。北京正负电子对撞机采用阈值扫描的技术在1992年准确测出了τ轻子质量域,非常接近理论预期。这次实验不仅证明了τ轻子与μ轻子的弱相互作用耦合符合轻子普适性原理理论预期,而且新的实验技术将实验误差降低到了国外上次同类测量的十分之一。这是1992年高能物理最重要的成果之一,成为中国在高能物理实验研究中占有重要一席之地的首个标志。李政道称这是最近一段时间高能物理最重要的实验成果之一,并将一幅装裱τ轻子质量测量的二维拟合彩图作为九十大寿的贺礼送给了中国物理届的先驱赵忠尧先生。

       接下来郑教授介绍了北京正负电子对撞机升级探测器后的BESⅡ代表性成果:R值测量和基于BESIII实验的Zc系列粒子、Λc重子的发现。其中BES的R值测量结果对实验上寻找Higgs粒子产生了极重要的影响,Λc衰变的精确测量将为粲夸克末态强相互作用提供重要的信息,进而改善对低能非微扰能区QCD理论的理解。总结BES实验的特色物理亮点,是采用高统计量和低本底的方法,只要阈值上获取数据的统计量不受到挑战,就能产出特色的物理发现。

      北京正负电子对撞机及中国高能物理实验从零开始,发展至今是克服重重困难的不平凡经历,这其中离不开李政道先生的贡献。1975年国家批准建造一台40Gev质子同步加速器,但在1980年该工程项目因国民经济调整而下马。在这关键时刻,李政道先生提出了一个挽救中国高能物理的方案,即建造一台2x2.2Gev正负电子对撞机,并邀请高能所朱洪元、谢家麟访美调研。李政道先生利用各种机会向邓小平同志和有关领导阐述中国高能物理基地建设的必要性以及选择正负电子对撞机的理由。1984年10月7日,北京正负电子对撞机工程动工,邓小平等国家领导人及李政道先生参加了工程奠基。李先生是中美高能物理联合会议的美方核心成员。一旦中方向美方提出急需的有关加速器,探测器,自动控制,电子学,计算机的关机设备,部件或软件时,李先生就在会上给予支持,会下进行协调,帮助落实。1988年10月16日,BES建造完成,对撞成功;10月24日,邓小平等国家领导人在李政道先生全程陪同参观了BEPC和BES,邓小平感谢李政道先生为对撞机建造成功所做的贡献。1990年,李政道先生还促成了BES国际合作组,加快了中国高能物理的国际合作。

        目前BEPCⅡ/BESIII装置已经运行了13年,设备的寿命有限,而且现有存储环隧道长度和空间限制了BEPCⅡ的进一步大幅提升亮度。为迎接陶粲能区更具挑战性的统计量在量级上的提升以及对撞质心更高的能量需求,建造一个超级陶粲装置(STCF)是BEPCⅡ/BESIII的自然延伸,这将成为我国未来粒子物理研究加速器基地。STCF作为下一代高亮度正负电子对撞机,其亮度可达BESIII现有亮度的100倍,这将打开更多的物理研究窗口,如探索重子CP破缺等。预研方案表明STCF在2天获取的数据量相当于BESIII全年实验数据,并且其关注领域与非微扰强相互作用国际研究中心正在推动的EicC装置高度互补。讲座最后郑教授与提问同学深入交流。

学生积极提问

        第十四期“李政道讲座”至此顺利结课,为了感谢同学们整个夏季学期的热情投入和坚持不懈。我们随机抽选了20位幸运同学,奖品是曹则贤教授亲笔签名的书籍《至美无相》和《云端之上》。

获奖同学合影