每秒1亿次的“鼻尖碰鼻尖”，北京正负电子对撞机如何对撞粒子？

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（来源：中国科普博览）

北京正负电子对撞机（BEPC）主要用于研究基本粒子的性质和相互作用规律，探索物质的微观结构和宇宙奥秘。具体而言，BEPC及其升级版BEPCII主要通过加速正负电子对撞，产生次级粒子，从而研究这些粒子的性质和相互作用。

想像一下，我们要让两束接近光速飞行的正负电子以最高2×2.8 GeV的高能量，在长度为240米，却细如发丝的跑道上每秒对撞1亿多次，而且每次碰撞都是“鼻尖对鼻尖”，这样的高难度的碰撞究竟是怎样做到的？

北京正负电子对撞机（BEPC）把这道看似不可能的题目拆成了四步“绝技”：

第一步，先做出“子弹”：一根202米长的直线加速器像“电子机关枪”，将电子枪产生的电子加速后轰击钨靶，“砰”地打出大量正电子。负电子则由电子枪直接产生。产生的正负电子随后被一起加速到1.4～2.8 GeV。

第二步，把子弹压成“薄片”：正负电子束脉冲被送进240米的储存环。环里弯转磁铁负责让粒子拐弯，四极磁铁和六极磁铁像“透镜组”把束流聚焦为垂直0.1毫米、水平1毫米的“纸片束”。束流越细，撞上的概率就越高。

第三步，让薄片“叠”在一起：升级后的BEPCⅡ采用双环交叉方案：正负电子不再共用一条跑道，而是各跑一个环，在交叉点相遇。每个环里正负电子束团的数目从单环时的1个提升至93个（每个束团中粒子数的量级为1011，即约含千亿个粒子），于是93×93≈8600对“薄片”对撞，亮度比单环提高约100倍。

第四步，实时“纠偏”，实现闭环导航。环上装了上百个“电子眼”（束流位置探头、同步光探头等）和一套计算机自动测量和控制系统，每毫秒测一次束流位置、角度、强度，并将误差信号立刻反馈给磁铁电源和高频腔，以确保束流的稳定性和对撞效率。

通过以上技术，北京正负电子对撞机实现了高精度的束流控制和对撞性能，并为全球物理学家提供τ-粲能区最亮的实验数据。

BEPC是目前世界上唯一工作在τ-粲（càn）能区（2-5 GeV）的正负电子对撞机，在这一能区积累了世界上最大的含粲夸克粒子样本。

如果把BEPC看成一只“大胃王”，正负电子是它“做菜的原料”，那它最喜欢做的“菜”则是陶轻子（τ轻子，轻子的一种）和粲粒子（粲夸克相关的基本粒子）。为什么是它们？

因为BEPC的能量对它们来说是“量身定制”款。BEPC设计的束流能量为1.0-2.4 GeV，对撞质心能量为2.0-4.8 GeV，正好把粲夸克和反粲夸克一网打尽。

因为BEPC在该能区的亮度是“世界第一”。BEPC在工作的“τ-粲能区”（2-5 GeV）的亮度长期保持世界第一。1988年，在BEPC建成之初，其在2 GeV时的峰值亮度就达到 8×1030 cm-2 s-1，是当时世界上同能区亮度最高的加速器。2009年，BEPCⅡ升级改造后，其亮度再次提升约100倍，峰值亮度突破1033 cm-2 s-1，继续稳居该能区第一，并超过了日本KEKB在该能区的表现，是康奈尔CESR-c同能区亮度的3-7倍。

因为BEPC具有物理测量方面的“独家口味”。它能精确测量J/ψ（由粲夸克组成的一种粲粒子）的质量和宽度，验证量子色动力学（QCD）势模型。它能产生ψ(3770)，ψ(3770)几乎100 %衰变到DD̅（一个由D介子和其反粒子D̅组成的系统），是测量D介子质量、寿命、强相位的“黄金工厂”。它能精确测τ轻子质量、反常磁矩。

综上，BEPC的“心头好”就是带粲味的介子和τ轻子，它用240米的小个子，成为了全球最大的“粲工厂”。它不仅能研究高能物理领域的基本粒子，成为探索物质结构和宇宙奥秘的重要工具，还在生物、材料、物理、化学、环境、能源等多学科研究中发挥重要价值。

出品：科普中国

作者：杨超（深圳理工大学科普主管、中国科普作家协会会员）