九月初六,玉泉路
夜里凉,高能物理研究所的院子里安静,实验楼的灯亮着,走廊里没有人。这一天是十月十六日,一九八八年的秋天已经很深。
按站内历法核校,这一天是戊辰年九月初六,日干支甲辰。
凌晨,控制室里的人在等一个数:束流的亮度。这个数上去了,说明两束粒子撞上了。屏幕上先是噪点,后来出现了表征对撞的信号。这一天,这台机器第一次实现了正负电子对撞。
为什么要对着撞
做粒子物理,要把粒子加速,让它去撞别的东西,看撞出什么。
老办法是打固定靶:一束粒子打在静止的靶上。这样撞,能量大部分变成了整体运动,真正用来产生新粒子的能量不多。束流的能量越高,浪费的比例越大。
对撞是让两束粒子对着跑,然后相撞。两束的能量可以全部用来产生新东西,效率高得多。代价是要做两束、要在一个很小的区域里让它们碰上。
直线加速器
电子先要加速。
这台机器有一段直线加速器,几百米长,用微波电场推着电子走。电子在管道里跑,管道外面套着一圈一圈的加速腔,微波从腔里送进去,电场一阵一阵地推,电子就一段一段加速。
电子越跑越快,接近光速以后,再加速,速度增加得很少,能量还在增加。到出口的时候,电子的能量是几十亿电子伏特。
正电子是另一条路。正电子是电子的反粒子,质量一样,电荷相反。它是用电子打在靶上产生的,产生以后被收集、减速、再加速。
储存环
两束粒子加速以后,被送进一个环里。环是环形的,周长两百多米,管道在磁铁中间穿过。
环上有两种磁铁。二极磁铁负责弯,把束流弯成圆圈;四极磁铁负责聚焦,把束流压细,不让它散开。磁铁的磁场要很准,误差大了,束流就撞到管壁上,丢了。
环里要保持很高的真空。空气分子会把束流撞散,所以管道抽到极低的压强。
电子在环里转弯会辐射能量,这叫同步辐射。能量丢了,要补。环上有高频腔,把能量补回来,束流才能一直转。
对撞点
两束粒子在环里方向相反地转,在环上有一个点,让它们交叉。
交叉的地方要把束流压得很细,细到几十微米,还要让两束的中心对准。对准靠一套精密的磁铁和测量系统,调的时候一点一点试,看着亮度的数往上涨。
撞上的概率不高。两束粒子都是脉冲式的,一包一包,一包里有好多粒子,两包相遇的时候,只有极少数粒子真的撞上。所以要让它们一直转,转几小时,攒够事例。
北京谱仪
撞出来的东西,要用探测器看。
对撞点外面套着一台谱仪,一层一层。最里面是束流管,外面是测量径迹的室,再外面是测量能量的量能器,最外面是磁铁,用磁场把带电粒子的路径弯过来,从弯曲的程度算动量。
粒子穿过探测器,留下信号,信号被读出来,变成数据。一次对撞产生的信号叫一个事例,事例攒起来,才能统计出结果。
运行日志
运行值班有日志,一本一本,记录开机、注入、加速、对撞、停机,还有各种故障。日志上写着时间、束流强度、亮度、真空度。
日志上写的是公历和时刻。戊辰年九月初六、日干甲辰,这一层在日志上没有;日志是给下一班的人看的,要的是这一班干了什么、机器什么状态。
那天早上,值班的人在本子上写下亮度,后面画了一个圈。院子里天亮了,实验楼的灯关掉一半。