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北京谱仪升级后的第一次对撞

作者：葛韶锋 译
提交人：gesf （2008年7月29日 周二）
类型：news article （Chinese）
引用网址：http://www.qiji.cn/eprint/abs/3734.html
注释：译自 Interaction, First e+e- Collison at BEPCII/BESIII. (译文 2452字)
相关网址：http://www.interactions.org/cms/?pid=1026519

摘要/内容：

今年7月19日的晚些时候，中国科学院高能物理研究所的研究人员第一次在升级后的北京正负电子对撞机（BEPC-II：Beijing Electron Positron Collider）上实现了对撞，这些对撞是由全新的配套探测器（Detector）——第三代北京谱仪（BES-III）观测到的。北京正负电子对撞机二期和第三代北京谱仪探测器已经分别被仔细地检测过了，这一次是它们第一次放在一起操作。在经过八年的规划和建造之后终于实现了里程碑式的第一次对撞。

当满负荷运作起来之后，北京正负电子对撞机二期和第三代北京谱仪探测器组合将成为世界上研究粲物理——研究对象是含有粲夸克（Charm Quark）的粒子——的主要实验设备。夸克是一种组成物质的最基本粒子，而粲夸克即是六种夸克中的一种，按照质量从小到大排粲夸克排在第四位，其质量是电子质量的3000倍。在北京正负电子对撞机二期中具有高能量的正负电子束相互碰撞而相互湮灭，在这个过程中它们的能量按照爱因斯坦的著名公式：E=mc²转化成正负粲夸克对。

为了实现这一点，北京正负电子对撞机二期将每个由大概五百亿个电子组成并被紧紧束缚在一起的电子束限制在一个穿过一系列高强度电磁铁的真空管中，这使得电子沿着一个近似圆形的轨道运行。同样，正电子也被束缚在真空管中沿着反方向运行。正负电子束被束缚得很紧，其在垂直方向的高度只有五百万分之一米，它们在通过第三代北京谱仪探测器的时候相互发生碰撞。有时候电子束中的一个电子会和正电子束中的一个正电子头对头发生碰撞而相互湮灭并产生粒子对——其中的一个含有一个粲夸克而另一个则含有一个反粲夸克。这些所谓的粲粒子（Charmed Particles）迅速衰变成更为普遍存在的粒子——比如正电子（Positron）和K介子（K Meson），这些末态粒子的能量和速度会被第三代北京谱仪精确地测量下来。从这些测量当中，一开始出现的粲粒子的性质可以被推断出来。

北京正负电子对撞机二期工程是在高能物理研究所之前拥有的北京正负电子对撞机的基础上经过重大升级得到的一个更为先进的对撞机。最主要的改进是添加了另外一条磁环，这使得正负电子束可以被各自独立地存储。在北京正负电子对撞机中正负电子束是被束缚在单一磁环构成的同一个真空管中的，这一设置使得只能容纳一个正负电子束，从而也就限制了产生粒子的速率。而北京正负电子对撞机二期则可以同时在一个磁环中容纳九十三个粒子束。此外，北京正负电子对撞机二期还获得了很多其它改进，包括一个更加强大的注入加速器（Injection Accelerator）——这一装置可以产生高能的正负电子；以及在加速和磁聚焦（Magnetic Focusing）正负电子束的时候大量地使用超导技术。这些升级使得正负电子碰撞频率提高到了原来的一百倍。

第三代北京谱仪则是一个在第二代北京谱仪基础上做了重大改进后得到的全新探测器。这些改进包括它含有的一个巨大的超导磁铁（Superconducting Magnet），其在探测器内部产生一个强度达到地磁场（Earth's Magnetic Field）两万倍的强磁场。当带电粒子穿过探测器的时候这个强磁场使得它们发生偏转，通过测量其偏转量研究人员可以精确地测量粒子的速度。这块电磁铁由高能物理研究所的实验室研究人员制造的，它是目前中国所拥有的最强的一块电磁铁。此外，第三代北京谱仪中含有一个由6240块碘化铯（Cesium Iodide）晶体组成的大型探测阵列，它被用来探测碰撞产生的高能伽马射线（Gamma Ray）的能量。超导磁铁和大型晶体阵列的相互组合使得第三代北京谱仪探测器能够以高出第二代北京谱仪探测器至少十倍的精度测量产生粒子的能量和速度。为了处理第三代北京谱仪上预期能获得的高流量数据，研究人员开发并应用了一个特殊的最新高速数据传输系统。

北京正负电子对撞机二期的双环系统是在2006年十月份完成的，在接下来的一个月中第一次实现了粒子束的存储，而第一次对撞则发生在2007年三月份。第三代北京谱仪的装入则是在今年一月份完成，并于四月份初被安装到反应区。

在上周末的启动测试运行中，大约每隔十分钟探测到一个粲粒子对事例。启动测试运行中的对撞频率大概只有系统设计最高对撞频率——每秒钟六到七个粲粒子对事例——的1/4000。采用这一较低的对撞频率是因为研究人员人为限制了正负电子束的密度，以避免在确信所有仪器都按照预期正常运行之前贸然开足马力运行可能对第三代北京谱仪灵敏的探测器感应装置造成伤害。第二天提高正负电子束的密度后，探测到的对撞频率上升到最初的十倍。在接下来的几个星期中，正负电子束的密度将会被进一步地逐步提高，在此期间第三代北京谱仪中将近两万个探测单元会被仔细地调整和校准。当这一过程结束之后，在今年秋季的早些时候，北京正负电子对撞机上的研究项目将会被启动。

最近，在高能物理研究所以及美国和日本实验室中工作的研究人员们已经观测到了一系列出人意料的粲粒子事例，它们将在特别灵敏的第三代北京谱仪上被进一步地研究。这些观测结果极大地提高了全世界粒子物理界对第三代北京谱仪研究项目的兴趣。这些最新的进展包括令人惊讶地观测到中性粲介子（Neutral Charmed Meson）——包含一个粲夸克和一个反上夸克（Anti-up Quark）的介子——自发地在其本身及其反粒子之间相互转换，在此之前人们并没有预料到会产生这种现象。第三代北京谱仪突出的性能使其能够进行重要的测量并将这种过程归类以帮助理论物理学家理解这种转换的根本原因。最近有一些证据显示在Ds介子——一种由粲夸克和反奇异夸克（Strange Quark）组成的粒子——中的组分粲夸克和奇异夸克相互湮灭的速率似乎比理论预言要高。如果这一理论和实验之间的差别能够被确定下来——这是特别适合第三代北京谱仪做的实验——这将成为对自然界基本相互作用以及相关粒子研究开辟新领域的重要证据。此外，高能物理研究所的第二代北京正负电子对撞机以及其他实验室的实验已经发现了一系列不能被囊括进传统夸克模型方案的新粒子。到目前为止，虽然付出了大量的努力，理论物理学家们还是没能描绘出解释这些新粒子状态的统一图像。需要有更细致的测量，而这一工作将由第三代北京谱仪完成。

预计这些以及很多其它的课题将会被包括在第三代北京谱仪长达十年左右的密集研究项目中。这一研究将由来自中国大陆、香港、德国、日本、俄罗斯和美国的研究人员组成的国际研究小组完成。周日在北京正负电子对撞机二期和第三代北京谱仪(BEPC-II/BES-III)实验设施中观测到的首次对撞将成为这一研究项目的一个重要里程碑。

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