走近大国重器丨“撞出”更多人类未知新粒子——探秘第二次升级改造后的北京正负电子对撞机

　　科技日报记者 李坤 陆成宽

　　北京玉泉路旁，绿树环绕的古朴院落地下，藏着一台外形酷似羽毛球拍的巨型科研装置——北京正负电子对撞机。在这台周长240米的环形装置内，正负电子可被加速到接近光速迎头相撞。科学家通过研究碰撞产生的微观粒子，探究微观世界基本运行规律，验证现有物理理论，寻找未知新粒子。

　　日前，科技日报记者来到这里，探秘这台刚刚完成第二次升级改造的国之重器。经过此番改造，该装置的对撞能量、对撞亮度等关键指标大幅提升，核心性能实现历史性突破。

　　“这台装置自建成运行至今已近四十年，但它可不是一台‘老机器’。”进入地下隧道，中国科学院高能物理研究所（以下简称“高能所”）北京正负电子对撞机运行总指挥于程辉研究员介绍，历经两次重大升级改造，它早已“脱胎换骨”，是一台名副其实的现代化大科学装置。

　　“要领跑，就必须超越自我”

　　“为什么要再次升级改造？”

　　面对记者的提问，于程辉介绍，自2009年完成首次升级改造后，北京正负电子对撞机成为全球唯一运行在陶-粲能区的对撞机。此后11年间，它在该能区接连发现32个全新粒子，这些粒子都不在现有标准模型的理论框架内，预示着人类对物质世界最底层的认知可能被改写。

　　“凭借这一成绩，我国长期领跑陶-粲能区的基础粒子物理研究。要领跑，就必须超越自我。”于程辉说，“理论上，陶-粲能区还藏着10到15个新粒子。如果不再次提升对撞机性能，我们预计需15年才能将它们‘挖’出来。”

　　这些切实可期的丰硕成果引来多个国际竞争者。2020年起，德国潘达、日本BelleⅡ、美国杰斐逊等实验装置纷纷申请经费，试图将他们的对撞机也瞄向这一“黄金”能区。

　　“对撞机就像科学家在富矿里开凿的铲子。我们之前用这把铲子挖出了令人垂涎的宝藏，现在别人要扛着更好的工具来抢矿，我们必须把自己的铲子磨得更锋利。”于程辉打了个比方。

　　“我们必须捍卫自己在陶-粲能区领先地位，不能让到嘴的鸭子飞了。”他指着装置旁新粒子发现分布图说，在高能物理领域，谁先发现并发表成果，谁就拥有命名权，慢一步基本等于白做。二次升级改造至关重要，直接影响北京正负电子对撞机能否保持全球竞争优势。

　　2021年7月，北京正负电子对撞机对撞能量和取数效率升级工程正式立项，中国科学院决定投资1.6亿元，目标是将对撞机的峰值亮度和积分亮度均提升至原来的3倍以上。

　　此前虎视眈眈的国际竞争者，在评估我方升级方案后纷纷调整策略，德国、美国、瑞士三家主动退出该能区的竞争。日本的装置升级后，未能达成预期目标。

　　“前不久，我们顺利完成升级改造，既定性能指标全部达成。”于程辉笑道，“这次，鸭子彻底飞不了了。”

　　“研制全球最好的组合型超导磁铁”

　　说话间，记者随科研人员穿过防护门，步入储存环隧道。眼前，低温超导腔、组合型超导磁铁和精密真空室等整齐排列，设备在灯光下泛着冷峻的光泽。

　　“这里就是第二次升级改造的核心。我们对对撞点区域进行了重大改造。”于程辉指着刚完成验收的组合型超导磁铁介绍，“要让性能提升至原来的3倍，关键在于把对撞点的束团尺寸压得更小、流强提得更高，让对撞效率发生质变。”

　　这听起来简单，实则是一项极致的工程挑战。高能所研究员朱应顺告诉记者：“最大拦路虎是对撞点两端的聚焦磁铁——组合型超导磁铁。”

　　然而，这种磁铁的制造技术曾被美国布鲁克海文实验室独家垄断。

　　“为了尽早摆脱受制于人的困境，我们用了13年，研制全球最好的组合型超导磁铁。我们研制的组合型超导磁铁的性能比美国产品还高出40%。”朱应顺语气中透着自豪。更具戏剧性的是，2025年5月，当年独家垄断的美国实验室主动联系高能所，希望采购中国制造的组合型超导磁铁。

　　同时，团队还攻克了多项关键核心技术，实现了多个核心设备的国产化。比如，射频超导模组利用超导腔在接近零下269摄氏度的极低温下电阻消失的特性，将加速效率提升数倍，从而能在有限的空间更高效地把正负电子的束能量推向更高水平；新型注入冲击磁铁将传统的镀膜陶瓷板结构创新地设计成金属条方案，把注入冲击磁铁对真空度工况的需求降低了一个量级，解决了高束流功率、高单束团流强稳定运行的技术难题；光子吸收器采用特种铜合金与锥形分级吸收结构，确保同步辐射功率的有效冷却，最终保障了储存环超高真空的长期稳定。

　　“得益于全面推进自主创新，第二次升级后北京正负电子对撞机的设备国产化率达到100%，并同期完成直线加速器能量升级，综合性能达到国际同类装置领先水平。”于程辉说。

　　“保持陶粲物理研究的引领地位”

　　走出储存环隧道，记者来到北京谱仪控制室。刚一进门，电脑屏幕上复杂绚丽的粒子径迹图便映入眼帘。

　　“这是我们探测器正在持续捕捉的微观粒子衰变径迹。”于程辉介绍，升级后的北京谱仪事例采集量提升3倍，大量稀有粲介子、奇特强子的信号将被更高效地记录下来，供物理学家深入分析。

　　“升级前需要15年才能‘挖完’的新粒子目标，现在预计5年即可完成。通过这次升级，我们可以保持陶粲物理研究的引领地位。”于程辉说，以这台装置为核心，这里还凝聚起一个由15个国家、96个单位、700多名顶尖科学家组成的大型国际合作组。在这个组里，中国是当之无愧的引领者，实验方案制定、数据采集与分析、成果发表均由我方主导。

　　这台装置的贡献不止于粒子物理前沿。它还可以“一机两用”，在开展高能物理对撞的同时，储存环中飞驰的电子束也在源源不断产生高品质的同步辐射光，为众多用户提供服务。高能所魏彦茹解释：“当电子在弯转磁铁中改变方向时，会沿切线方向释放出强烈的X光，它就像探照灯一样，能照亮实验样品的微观结构。”

　　正是凭借这束光，科研人员可以看清金属疲劳的裂纹如何萌生、蛋白质分子怎样折叠、芯片纳米级电路是否存在瑕疵……这些前沿研究都依赖于同步辐射光的高分辨穿透能力。

　　“二次升级改造后，装置的光强翻倍。这意味着实验所需时间减半，现在每年可支撑约上千个用户的实验课题，为国内外材料科学、生命科学、探测器标定等领域提供了不可或缺的研究平台。”魏彦茹说。

　　面向未来，运行团队还将继续深挖装置潜力，进一步优化束流品质、精细调节运行参数，不断向微观世界的更深处挺进，“撞出”更多人类未知新粒子。“我们已经证明，中国人有能力在最前沿的基础科学领域与全球最强者正面竞争，而且能持续赢。”于程辉说。