Nature 视频 | 访问日本“大物理学”实验之三:日本最大的粒子物理实验室KEK

来源：Nature自然科研

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半个世纪以来，日本处在“大物理学”的前沿，追问着那些关于宇宙运行规则的基础问题。这一量级的问题需要真正大规模的尖端技术。《自然》记者Davide Castelvecchi 旅行穿越日本，在这个系列视频中探访了日本3个旗舰实验的罕见内部景象。

第三部：Belle II

这个实验也许能改变粒子物理学

以下是视频文字记录：

太惊人了，我从来没有这么近地看过这里。

50多年来，日本一直处于大物理学的前沿。如此宏伟的实验和目标，若非亲眼所见简直难以置信。我叫Davide Castelvecchi ，是《自然》的一名物理学记者。在本系列中，我将探访日本的三项旗舰实验，深入了解日本的大物理学。

筑波市位于东京东北方向约50公里处，是日本最大的粒子物理实验室KEK的所在地。到达KEK后，他们会给你一个放射量测定器让你带上。这里的实验是进行粒子对撞，会释放一些辐射。虽然控制严格而且非常安全，但是小心一点总不为过。我今天来参观的实验名为Belle II。

“我叫中尾幹彦。我一半的时间花在Belle II探测器的数据采集系统上，一半的时间在做物理分析。Belle II是同系列实验中的第二个，旨在研究一个常被忽略的粒子物理学分支：B物理。”

B物理中的“B”是指粒子的一个组成部分，名为B介子。“B”代表Bottom（底）或Beauty（美），这些粒子具有一些很有意思的特性。B介子是不稳定的粒子，在自然界中非常罕见。但它们能在粒子加速器中产生，这也是Belle II的任务。电子及其反物质正电子在Belle II的中心发生对撞，相互湮灭，形成两个B介子。这些不稳定的介子立即衰变为更轻的粒子并飞走，通过测量这些粒子的衰变和径迹，研究人员能够发现前后不一致的地方，那或许是解释一些重要宇宙之谜的关键。

“在粒子物理中，我们积累了大量的数据，建立了粒子物理的标准模型，但是还缺少很多东西来解释宇宙之谜。”中尾说。

像中尾这样的物理学家认为，可能存在有待发现的新物理可以解释其中的一些谜题。

“比如在我们的宇宙中没有观测到反物质。我们不知道这种物质-反物质不平衡在一开始是如何产生的。” 中尾说。

某种东西打破了平衡，粒子和反粒子的行为存在差异，这种差异被称为CP破坏 ，也是Belle II正在利用B介子研究的现象之一。

早在2001年，Belle II的前任Belle成为率先在B介子衰变中测到CP破坏的装置之一，而Belle II要证实这些发现究竟预示了新物理学，还是统计上的偶然情况而已。

中尾领我参观探测器，实地感受让这一切成为可能的实验工程。现在，我们来到了Belle II实验大厅的长廊区。通常我们不能在探测器区域走动，但是因为现在处于停机阶段，所以可以过去。

Belle II所在的洞口很大，长廊区四周悬挂着多年来参与实验合作的国家国旗，从沙特阿拉伯一直到越南。我参观的时候，探测器仍没有完全运行，之前做过一些简短的测试，然后又关闭了。

我们现在位于束流线的上方，你可以看到两个束流管。巨大的金属轭被拉开，探测器几乎处于完全拆解的状态，让我们有了难得的机会可以看看内部。另一侧是一个清洁区，研究人员正在测试Belle II最先进的组件：硅顶点探测器。中尾介绍道，“这就是测量粒子来源的探测器，分辨率可以达到100微米以内。”它将位于探测器的中心位置，通过在极其精细的层面上测量这些粒子，中尾期待可以发现新物理。靠近相互作用的发生点，你可以看到大量的接线，涵盖了已经公开的全部检测机制。能够如此近距离地观察完全超出了我的想象，事实上这对于中尾来说也是一次全新的体验。

“实际上我一般不在这个区域工作，我也是第一次来到这里。我们的身后就是Belle II探测器，我们现在看到的是后盖打开的景象。后盖探测器已经取出来了 ，这样就能看到内部探测器了。里面大概有4万根线路，他们经常会接错线，然后需要在某些地方换线。如果运气好，我们也可以在另一侧换线，问题就解决了。”

“我们现在站在Belle II探测器心脏的前面，正好中间的位置会装上硅顶点探测器，这两个最终聚焦磁铁将从两端插入，电子和正电子会在这个相互作用点相遇。”

在对撞发生前， KEK的研究人员首先需要产生粒子并加速，再让粒子从这个管里发出，为此还需要另一个大型设备，粒子物理学家称之为“机器”，这就是加速器SuperKEKB。

西脇美知留带我参观了束流线所在的隧道。”我们现在在这里，Belle II在那里，这就是SuperKEKB加速器。电子从这到那，正电子从那到这，我们有两个像这样的环：一个环传递电子一个环传递正电子；一个物质，一个反物质，强大的射频波将它们加速至近光速，再用束流线上布置的一系列磁铁来进行操纵。”

束流产生、加速、整形和维护所用的全部设备令人叹为观止。“注入束流、大型腔体、二极磁铁……这是一个加速腔……四极、六极、两个束流管……这一个用于注入束流……这是旋转束流……波导……那个管子，那也是波导……控制磁铁。这是低温系统，这是冷却塔……这座建筑里面有四套低温系统，然后我们来到了这里——正电子注入线。这其实是一个反物质注入器，你可以看到注入线，那个绿色磁铁。正电子从那里出来，再经过那……”

美知留的工作是保证逆向而行的正负电子束协调一致。当正负电子束达到最佳条件时，就会被导至Belle II 发生对撞。SuperKEKB完成这项工作的效率远高于其前任，也就是说， Belle II收集B介子的速度将是Belle的40倍。这将为中尾和他的团队带来大量数据。

近年来，主要的粒子物理实验都没能找到有关新粒子的任何直接证据，很多研究人员现在把B物理实验视为发现新物理的最大希望。Belle II有望在这个新时代发挥重要的作用。

几十年来，日本一直是大物理的全球领导者，日本的探测器加入全球其它装置之列，对于这些复杂宏大的项目做出了不可忽视的重要贡献。但是当你身处此地，真正让你感到震撼的是实验的尺度，可能只有它们尝试解答的问题的尺度才能与之一较高下。

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