作者:倪伟波/整理 来源: 发布时间:2016-3-29 15:13:2
对撞出的“神奇”粒子
——以粲物理、中微子物理为代表的粒子物理研究

 
粲物理
 
在北京乃至全国恐怕都找不出这样一台科学装置,可以凝聚历届领导人和整个社会关注的目光——北京正负电子对撞机(BEPC)。
 
作为我国第一个大科学装置,BEPC是在邓小平同志亲切关怀下建设的重大科技基础设施,1984年10月动工,1988年10月完成建设,成功实现正负电子对撞。
 
1988年10月20日,《人民日报》报道这一成就,称“这是我国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后,在高科技领域又一重大突破性成就”!
 
2009年7月,北京正负电子对撞机完成重大改造。改造后的北京正负电子对撞机(BEPCII)成为国际上最先进的双环对撞机之一。改造后的BEPC亮度已达到改造前的80倍以上,在世界同类型装置中继续保持领先地位。
 
BEPCII是一机两用装置,包括北京谱仪III(BESIII)和北京同步辐射装置(BSRF)两部分。BESIII是我国自行设计和研制的大型粒子物理实验装置,由多种子探测器组成,它好比北京正负电子对撞机的“眼睛”。
 
BESIII通过测量正负电子对撞产生的稳定末态粒子来研究不稳定的短寿命粒子,进而探索物质的基本组成及其相互作用的性质,并寻找新粒子和新物理现象。
 
在BEPC和BEPCII上主要进行2-5GeV能区的正负电子对撞物理研究,重点是τ-粲能区的物理。
 
自从上世纪90年代以来,中国科学院高能物理研究所已经取得了一批在国际高能物理界有重大影响的研究成果。BESIII实验是以我国为主的大型国际合作项目,BESIII合作组成员包括13个国家和地区的55个成员单位、共400多位科研人员。
 
2013年3月,BESIII实验观测到带电Zc(3900)信号。Zc(3900)含有粲偶素中的粲夸克和反粲夸克成分,同时带有跟电子相同或相反的电荷,提示其中至少含有四个夸克,可能是科学家们长期寻找的一种奇特粒子。随后,BESIII实验D??Dbar中也发现了Zc(3900)。
 
Zc(3900)的发现在国际上引起了很大反响,2013年12月美国物理学会公布了其评选出的“2013年国际重大物理成果”,Zc(3900)的发现位列榜首。
 
2014年,利用BESIII探测器2013年采集的数据,BESIII国际合作组发现了另一个带电的新共振结构,命名为Zc(4020)。Zc(4020)的发现可能揭示了四夸克物质谱系的存在,对于理解强相互作用机制有重要意义。
 
Zc(3900)和Zc(4020)等奇特强子态的发现,将我国的强子物理实验研究推进了一大步,BESIII实验已步入奇特态强子研究领域的国际最前列。
 
中微子物理
 
中微子是物质世界最基本的粒子之一,它不带电、质量极其微小。由于其在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中同时扮演着极为重要的角色,因此对它的认识将揭开宇宙演变的诸多奥秘。
 
中微子共有三种类型,即电子中微子、μ中微子和τ中微子。在飞行中中微子可以从一种类型转变成另一种类型,通常称为“中微子振荡”。
 
原则上三种中微子之间相互振荡,两两组合,应该有三种模式。其中两种模式自上世纪60年代起即有迹象,当时称作“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”。电子中微子与μ中微子组合产生“太阳中微子之谜”;而μ中微子和τ中微子振荡产生“大气中微子之谜”。
 
1998年,日本的超级神冈实验正式发现大气中微子振荡,随后太阳中微子振荡也被多个实验证实。然而,电子中微子和τ中微子的振荡却一直未被发现。
 
2003年,中科院高能物理研究所的科研人员提出设想,利用我国大亚湾反应堆群产生的大量中微子,来寻找中微子的第三种振荡,其振荡几率用sin22θ13表示。
 
其时,美国、法国、日本、韩国等都竞相提出了实验方案。然而,最后进入建设阶段的仅有3个,中国的大亚湾实验便位列其中。
 
随后,大亚湾实验率先在2010年12月完成了核电站附近的全部爆破任务,2011年逐步完成了探测器的建造与安装,2011年8月开始近点取数,12月24日开始远近点同时运行。
 
2012年3月8日,大亚湾中微子实验取得了重大成果——科学家首次发现了新的中微子振荡模式,并精确测出了它的振荡几率,被认为是“中微子物理的一个里程碑”。
 
该研究结果入选美国《科学》杂志评选的“2012年全球十大科学突破”。之后中科院高能物理所完成了中微子质量平方差的测量、更高精度的θ13分析以及惰性中微子分析。■
 
《科学新闻》 (科学新闻2016年3月刊 硕果)
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