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对撞机：一种新型加速器

到20世纪中期，科学家已发现了质子、中子、电子、光子和各种介子，这些是当时的“基本粒子”，即人类所能探测的最小粒子。随着人类对微观世界的认知，利用普通加速器进行高能物理实验暴露出新的问题。经加速的粒子轰击一个静止的靶子中的核子，其质心能量^*只能以加速能量平方根的倍数递增。这种增长会随着能量的增加变得越来越缓慢。但如果把静止靶换成加速的粒子，让两束粒子高速对撞则能提供大得多的能量。

1960年，陶歇克（B.Touschek）在一个学术报告会中首先提出“正负电子对撞机”的概念，在他的领导下，意大利夫拉斯卡第建成一个直径大约1米、名为AdA的对撞机，成功地进行了验证原理的实验。许多理论物理学家开始对对撞机寄予厚望，希望通过它最大限度地将加速的粒子能量用于高能反应或获得新粒子。

图：北京电子对撞机示意图

世界加速器发展迎来了第三次革命

“要开展高能物理研究，中国也要发展对撞机。”这是谢家麟作为战略科学家的前瞻眼光。1981年，经几度筹划、酝酿的北京正负电子对撞机（BEPC）在李政道等人的极力支持下立项，并将能区确定在最适合研究粲粒子的2.2～2.8GeV。

与普通加速器不同，对撞机像一个爆发力极强的短跑运动员，能在很窄的设计能区内聚焦较大能量。超出工作能区，它的亮度就会以能量的4次方下降。这就要求工程设计者必须对某个能区的物理学潜力做出准确的预判，否则实验的亮度就不能够达到预期效果。“今天回头看当时的选择，是非常明智的。”作为BEPC项目总经理的张厚英告诉记者。

建成的BEPC，坐落在位于北京石景山的高能物理所。它形似一个网球拍，球把是一个200米长的直线加速器，由电子枪产生的电子束在加速管中不断加速，当电子束被加速到240MeV时，轰击一个钨转换靶，产生正负电子对，将正电子收集起来加速。然后，把靶提起来，将负电子束流加速到与正电子相同的能量。接着，正负电子通过30米长的公用输运段，然后被一块分选磁铁甄别，各奔一方，分别注入储存环中沿相反方向作回旋运动加速，以便接近光速，当正负电子分别被加速到需要的能量（最高2.8GeV），调整对撞点两侧的磁铁强度，使正负电子的轨道在探测器中心迎头对撞，这时安放在对撞点附近的北京谱仪开始工作，获取对撞产生的信息，存入计算机以备分析。

从确定加速器的设计方案到工程进度的把握，作为总设计师的谢家麟和大家一起，先后解决了正负电子直线加速器、储存环、谱仪、同步辐射、束测束控等过去没有接触过的技术难题。实验进程中，正、负电子要在截面小于1平方毫米的区域对撞，这对对撞机中正、负电子运动时间、空间的要求都十分严格。谢家麟将30年来从事加速器研制的经验倾注于BEPC。终于，在1988年，BEPC完工并成功实现对撞，成为世界上能区2.2～2.8GeV范围内亮度最高的对撞机。

随着加速器的推陈出新，物理学对基本粒子的定义也在发生变化。目前在粒子物理学中，标准模型理论认为的基本粒子可以分为重子、轻子、规范玻色子和希格斯粒子4大类。而BEPC通过实验，曾精确测量τ轻子的质量，发现X1835新粒子，在国际高能物理界引起很大反响。

未尽之功，留待后人

1987年5月28日，北京科学会堂，高能物理学界的科学家济济一堂，为王淦昌先生庆贺80大寿。席间，谢家麟做了有关“自由电子激光”的报告。这是他新的关注点，也是需要从头学起的领域。这一年，谢家麟67岁。

自由电子激光是加速器产生的高能自由电子束通过周期性变化的磁场产生的激光输出，波长能够连续改变，可以用于生物医学、科学研究、材料处理、能源发展等方面。用于外科手术，可以选择与人体组织相应的波长，使创口光滑，切割厚度可控制到千分之一毫米的精度。

建造这个各种尖端技术的“混血儿”，谢家麟仍然坚持“因陋就简”：北京自由电子激光（BFEL）的整体基础，来源于那台30MeV电子直线加速器。尽管是一台新建设备，BFEL装置上却保留了许多老设备的部件。在“863”计划支持下，BFEL装置于1993年建成，获得了亚洲第一束红外自由电子激光输出。2000年后，80高龄的谢家麟开始查阅大量资料，着手将加速器小型化，让它在食品辐照、肿瘤治疗、环境保护方面有更广阔的应用空间。

60多年间，谢先生见证了世界加速器发展的三次革命，面对世事沧桑又常有一种淡泊旷达的情怀。“未尽之功，留待后人。”对于来者，他希望他们能在超导加速器、X射线电子激光和未来的加速器方面有所开拓，有所建树。

（本文发表于《科学世界》2012年第4期）