访问日本「大物理学」实验之三:日本最大的粒子物理实验室KEK

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太惊人了,我从来没有这么近地看过这里。

50多年来,日本一直处于大物理学的前沿。如此宏伟的实验和目标,若非亲眼所见简直难以置信。我叫Davide Castelvecchi ,是《自然》的一名物理学记者。在本系列中,我将探访日本的三项旗舰实验,深入了解日本的大物理学。

筑波市位于东京东北方向约50公里处,是日本最大的粒子物理实验室KEK的所在地。到达KEK后,他们会给你一个放射量测定器让你带上。这里的实验是进行粒子对撞,会释放一些辐射。虽然控制严格而且非常安全,但是小心一点总不为过。我今天来参观的实验名为Belle II。

“我叫中尾幹彦。我一半的时间花在Belle II探测器的数据采集系统上,一半的时间在做物理分析。Belle II是同系列实验中的第二个,旨在研究一个常被忽略的粒子物理学分支:B物理。”

B物理中的“B”是指粒子的一个组成部分,名为B介子。“B”代表Bottom(底)或Beauty(美),这些粒子具有一些很有意思的特性。B介子是不稳定的粒子,在自然界中非常罕见。但它们能在粒子加速器中产生,这也是Belle II的任务。电子及其反物质正电子在Belle II的中心发生对撞,相互湮灭,形成两个B介子。这些不稳定的介子立即衰变为更轻的粒子并飞走,通过测量这些粒子的衰变和径迹,研究人员能够发现前后不一致的地方,那或许是解释一些重要宇宙之谜的关键。

“在粒子物理中,我们积累了大量的数据,建立了粒子物理的标准模型,但是还缺少很多东西来解释宇宙之谜。”中尾说。

像中尾这样的物理学家认为,可能存在有待发现的新物理可以解释其中的一些谜题。

“比如在我们的宇宙中没有观测到反物质。我们不知道这种物质-反物质不平衡在一开始是如何产生的。” 中尾说。

某种东西打破了平衡,粒子和反粒子的行为存在差异,这种差异被称为CP破坏 ,也是Belle II正在利用B介子研究的现象之一。

早在2001年,Belle II的前任Belle成为率先在B介子衰变中测到CP破坏的装置之一,而Belle II要证实这些发现究竟预示了新物理学,还是统计上的偶然情况而已。

中尾领我参观探测器,实地感受让这一切成为可能的实验工程。现在,我们来到了Belle II实验大厅的长廊区。通常我们不能在探测器区域走动,但是因为现在处于停机阶段,所以可以过去。

Belle II所在的洞口很大,长廊区四周悬挂着多年来参与实验合作的国家国旗,从沙特阿拉伯一直到越南。我参观的时候,探测器仍没有完全运行,之前做过一些简短的测试,然后又关闭了。

我们现在位于束流线的上方,你可以看到两个束流管。巨大的金属轭被拉开,探测器几乎处于完全拆解的状态,让我们有了难得的机会可以看看内部。另一侧是一个清洁区,研究人员正在测试Belle II最先进的组件:硅顶点探测器。中尾介绍道,“这就是测量粒子来源的探测器,分辨率可以达到100微米以内。”它将位于探测器的中心位置,通过在极其精细的层面上测量这些粒子,中尾期待可以发现新物理。靠近相互作用的发生点,你可以看到大量的接线,涵盖了已经公开的全部检测机制。能够如此近距离地观察完全超出了我的想象,事实上这对于中尾来说也是一次全新的体验。

“实际上我一般不在这个区域工作,我也是第一次来到这里。我们的身后就是Belle II探测器,我们现在看到的是后盖打开的景象。后盖探测器已经取出来了 ,这样就能看到内部探测器了。里面大概有4万根线路,他们经常会接错线,然后需要在某些地方换线。如果运气好,我们也可以在另一侧换线,问题就解决了。”

“我们现在站在Belle II探测器心脏的前面,正好中间的位置会装上硅顶点探测器,这两个最终聚焦磁铁将从两端插入,电子和正电子会在这个相互作用点相遇。”

在对撞发生前, KEK的研究人员首先需要产生粒子并加速,再让粒子从这个管里发出,为此还需要另一个大型设备,粒子物理学家称之为“机器”,这就是加速器SuperKEKB。

西脇美知留带我参观了束流线所在的隧道。”我们现在在这里,Belle II在那里,这就是SuperKEKB加速器。电子从这到那,正电子从那到这,我们有两个像这样的环:一个环传递电子一个环传递正电子;一个物质,一个反物质,强大的射频波将它们加速至近光速,再用束流线上布置的一系列磁铁来进行操纵。”

束流产生、加速、整形和维护所用的全部设备令人叹为观止。“注入束流、大型腔体、二极磁铁……这是一个加速腔……四极、六极、两个束流管……这一个用于注入束流……这是旋转束流……波导……那个管子,那也是波导……控制磁铁。这是低温系统,这是冷却塔……这座建筑里面有四套低温系统,然后我们来到了这里——正电子注入线。这其实是一个反物质注入器,你可以看到注入线,那个绿色磁铁。正电子从那里出来,再经过那……”

美知留的工作是保证逆向而行的正负电子束协调一致。当正负电子束达到最佳条件时,就会被导至Belle II 发生对撞。SuperKEKB完成这项工作的效率远高于其前任,也就是说, Belle II收集B介子的速度将是Belle的40倍。这将为中尾和他的团队带来大量数据。

近年来,主要的粒子物理实验都没能找到有关新粒子的任何直接证据,很多研究人员现在把B物理实验视为发现新物理的最大希望。Belle II有望在这个新时代发挥重要的作用。

几十年来,日本一直是大物理的全球领导者,日本的探测器加入全球其它装置之列,对于这些复杂宏大的项目做出了不可忽视的重要贡献。但是当你身处此地,真正让你感到震撼的是实验的尺度,可能只有它们尝试解答的问题的尺度才能与之一较高下。

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