【新科技知识干部读本】大型粒子加速器助力探索物质微观结构奥秘

2013年诺贝尔物理学奖花落“希格斯玻色子”（Higgs）的发现者，这种被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子是最后一种未被发现的基本粒子。这是欧洲核子中心打造的世界最大实验项目—大型强子对撞机（LHC）的目的与成果：人工模拟大爆炸，人为地创造上帝粒子。整个实验的造价高达90亿美元，来自全球的近1万名科学家，长达几十年的工作，就是为了寻找上帝粒子。强子对撞机是什么？人类又是如何一步步走向物质微观结构研究的呢？

400年前发明的显微镜，使生物学进入细胞时代。如今，科学家已能研究蛋白质的分子结构。分子由原子组成，原子则由质子与中子组成的原子核和周围的电子构成，而质子和中子也有结构，它们由被称为夸克的基本粒子组成。

这些粒子那么微小，用什么样的显微镜能观测到它们呢？物理上有一个有趣的定律，就是研究对象的尺度越小，要求的分辨率越高，需要“探针”的能量就越高。而将产生高能量的粒子“炮弹”作为“探针”，正是粒子加速器的拿手好戏。从下面的表中可以看出，光学显微镜很难看清楚比细胞更小的物体，要观测分子至少要用电子显微镜；研究分子中的原子结构，就要用同步辐射或散裂中子；研究原子核，要用低能加速器；对于强子，需要高能加速器；而对夸克和轻子，就要用对撞机了。

粒子加速器是一种利用电磁场将带电粒子束加速到高能量的装置。与宇宙线相比，粒子加速器不靠天吃饭，能人工产生高通量的粒子，而对撞机利用两束相向运动的高能粒子束进行对撞，能得到更高的有效作用能量。下面，让我们来看看世界上的大型粒子加速器—超级显微镜。

欧洲核子研究中心大型强子对撞机的紧凑缪子线圈（来源：新华社）

在基本粒子层次，欧洲大型强子对撞机（LHC）是目前能量最高、规模最大的加速器，离子源产生的两束质子，经过4级加速器的加速，最后在一个周长为27千米的双环加速器里积累、加速和对撞，开展高能量前沿的研究，可以重现宇宙早期的现象。继2013年科学家宣布在LHC的实验中发现了被称为“上帝粒子”的希格斯粒子之后，2015年又发现了一个由5个夸克组成的新粒子。

我国在1988年建成了北京正负电子对撞机（BEPC），在国际高能物理领域占据了一席之地。2009年，又圆满完成了对BEPC的重大改造，大幅度地提高了对撞机的性能，称为BEPCⅡ。BEPCⅡ的规模虽然比LHC小很多，周长不到LHC的1/100，但仍然是非常重要的高能物理实验装置，性能在其工作的粲物理能区居国际领先地位，取得了许多重要成果，包括在2013年发现四夸克态的新粒子等。

北京正负电子对撞机 BEPC Ⅱ（中国科学院高能物理研究所  刘捷  摄）

在原子核层次，规模最大的是美国BNL实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）。RHIC可以让两束重离子以十分接近光速的速度相向回旋运动，在交叉位置上进行对撞，开展高能核物理的研究。

我国于1990年建成兰州重离子加速器HIRFL，2006年又建成冷却储存环（CSR），构成HIRFL-CSR，成为国际上重要的核物理研究中心。HIRFL-CSR由离子源、回旋加速器、冷却储存环、放射性束流线和实验终端组成，是目前我国能量最高、规模最大的重离子研究装置。

在原子与分子层次，主要有同步辐射光源、自由电子激光和散裂中子源。同步辐射是电子在加速器中作回旋运动中产生的光辐射，目前全球共有50多台同步辐射光源。我国拥有北京同步辐射装置、合肥光源和上海光源。2010年建成的上海光源是一台国际先进的第三代同步辐射装置，为用户提供高品质的硬X射线光，取得了许多重要成果。

兰州重离子装置冷却储存环（中国科学院近代物理研究所  刘利文  摄）

自由电子激光（FEL）利用加速器产生的电子束流，在自由空间里产生相干作用，产生激光，具有高峰值亮度、超短脉冲和全相干等优异特性。世界上的大型FEL装置有美国的LCLS、日本的SACLA和建造中的欧洲硬X射线自由电子激光EXFEL等。在我国，上海软X射线自由电子激光试验装置于2014年年底破土动工。真空紫外波段的大连相干光源FEL，也于2014年10月开工建设。

上海光源（中国科学院条件保障与财务局  樊潇潇  摄）

利用高能质子束打靶可以产生散裂中子。国际上的散裂中子源有英国的ISIS、美国的SNS和日本的JPARC。我国正在广东东莞建造中国散裂中子源（CSNS），设计功率为100千瓦。CSNS计划在2017年建成，将进入世界四大散裂中子源之列，与同步辐射装置和反应堆中子源互相补充，成为在原子与分子层次开展前沿研究的重要平台。

中国科学家没有止步，正在谋划未来的大型粒子加速器装置。“十三五”期间，将在广东惠州建设先进重离子加速器，还将建造一台加速器驱动的次临界装置，用于核废料嬗变处理。科学家还在谋划一台周长为50～70千米的环形正负电子对撞机，对希格斯粒子进行深入的研究。将来还能在同一隧道里建造超级质子—质子对撞机，有效能量约为LHC的4～7倍。中国的大型粒子加速器必会从“紧跟”走向“并行”，并逐步实现“引领”，在科学前沿为人类做出更大的贡献。