近日，一則“Belle II探測(cè)器推入對(duì)撞點(diǎn)”的報(bào)道令人有些疑惑，這個(gè)Belle II是干什么的？Belle II推入對(duì)撞點(diǎn)有何重要意義？
記憶中，Belle是迪斯尼童話故事《美女與野獸》中主角的名字，她是一位美麗、聰明、優(yōu)雅、善良、勇敢的公主。
而在日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)KEK，建在非對(duì)稱正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)KEKB一個(gè)對(duì)撞點(diǎn)上的，用于進(jìn)行CP對(duì)稱性破壞研究的大型粒子探測(cè)器1995年被命名為Belle——法文中“絕世美女”之意。Belle是一項(xiàng)重要的國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)，此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究需要加速器產(chǎn)生大量的B介子，KEKB被稱為“B介子工廠”。
在獲得多項(xiàng)重要成果之后，日本政府批準(zhǔn)KEKB進(jìn)行重大升級(jí)改造，改造完成后將成為SuperKEKB——“超級(jí)B介子工廠”，用于探究宇宙起源的奧秘，探索超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，位于SuperKEKB對(duì)撞點(diǎn)上的新粒子探測(cè)器則被命名為Belle II——“絕世美女二世”。
至此，就明白啦，Belle II推入對(duì)撞點(diǎn)，對(duì)Belle II國(guó)際合作組和SuperKEKB工程來(lái)說(shuō)，是十分重要的里程碑。
KEK
日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)KEK的全稱是High Energy Accelerator Research Organization，其前身是1971年成立的日本高能物理研究所（National Laboratory for High Energy Physics），簡(jiǎn)稱KEK，隸屬日本文部省的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，從事高能物理、核物理和加速器技術(shù)研究。
為增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，日本文部省于1997年4月將KEK與東京大學(xué)原子核科學(xué)研究所INS（Institute for Nuclear Study）、東京大學(xué)理學(xué)院附屬的介子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室MSL（Muon Science Laboratory）合并，成立了高能加速器研究機(jī)構(gòu)（High Energy Accelerator Research Organization），英文縮寫仍沿用KEK，定位為：發(fā)展粒子加速器，開(kāi)展粒子物理、核物理以及材料功能和結(jié)構(gòu)研究。
日本KEK位置圖（圖片來(lái)自Google）
日本KEK（圖片來(lái)自https://www.kek.jp/en/）
KEKB與Belle
為深入研究基本粒子的性質(zhì)，科學(xué)家們必須想辦法在實(shí)驗(yàn)室中“生產(chǎn)”出大量開(kāi)展某種研究所需要的粒子。通常采用的辦法是用粒子加速器將電子、質(zhì)子或其它帶電的粒子加速到很高的能量，然后讓束流打靜止靶，與核子或電子碰撞，或者是讓相向運(yùn)動(dòng)的粒子束流對(duì)撞來(lái)產(chǎn)生大量某種粒子，然后用相應(yīng)的專用探測(cè)器來(lái)探測(cè)這種粒子的衰變過(guò)程。
為尋找“頂夸克”，KEK耗資870億日元，費(fèi)時(shí)五年于1986年建成了可轉(zhuǎn)移對(duì)撞型儲(chǔ)存環(huán)加速器TRISTAN。但后來(lái)發(fā)現(xiàn)頂夸克的質(zhì)量遠(yuǎn)大于理論學(xué)家原先的預(yù)期，超出了此加速器的設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍，預(yù)定的科學(xué)目標(biāo)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，TRISTAN于1995年停止運(yùn)行。KEK又耗資380億日元，沿用安裝TRISTAN的地下隧道，對(duì)TRISTAN的偏轉(zhuǎn)聚焦磁鐵、束流管與超導(dǎo)高頻加速空腔進(jìn)行升級(jí)改造，建成一個(gè)周長(zhǎng)約3公里的非對(duì)稱正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)KEKB，由8 GeV能量的電子與3.5GeV能量的正電子對(duì)撞，產(chǎn)生大量B介子和反B介子，因此也稱為“B介子工廠”。KEKB于1998年開(kāi)始運(yùn)行。
KEKB與Belle示意圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
Belle探測(cè)器位于KEKB的一個(gè)對(duì)撞點(diǎn)上，這位“絕世美女”不能算苗條，長(zhǎng)、寬、高均為8米，重量約1500噸，前置量能器、硅頂點(diǎn)探測(cè)器、中央漂移室、切倫科夫計(jì)數(shù)器、飛行時(shí)間計(jì)數(shù)器、碘化銫電磁量能器、以及K介子與μ子探測(cè)器等子探測(cè)器由內(nèi)到外排列。經(jīng)由這些子探測(cè)器，電子與正子在對(duì)撞點(diǎn)對(duì)撞后每年產(chǎn)生的約1億個(gè)B介子-反B介子衰變事例以及各式各樣的物理反應(yīng)過(guò)程的相關(guān)信息將被完整地記錄下來(lái)。
Belle探測(cè)器（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
數(shù)百位科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)利用Belle取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行CP破壞（粒子與反粒子性質(zhì)的不同）方面的研究。CP破壞對(duì)于揭秘宇宙中反物質(zhì)消失相當(dāng)關(guān)鍵，理論學(xué)家預(yù)言在B介子衰變系統(tǒng)下應(yīng)可觀察到很大的CP破壞現(xiàn)象，正因如此，Belle實(shí)驗(yàn)始終受到世界矚目。
KEKB自1999年6月開(kāi)始運(yùn)行，Belle國(guó)際合作組取得了不少重要的研究成果，特別是2001年，由Belle實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了由夸克構(gòu)成的正反粒子——B介子和反B介子的“CP對(duì)稱性破缺”現(xiàn)象，從而驗(yàn)證了日本科學(xué)家小林誠(chéng)和益川敏英提出的“小林-益川CP破壞理論”。小林誠(chéng)、益川敏英與另一美籍日裔科學(xué)家南部陽(yáng)一郎一起分享了2008年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，瑞典國(guó)家科學(xué)院頒獎(jiǎng)時(shí)強(qiáng)調(diào)了Belle實(shí)驗(yàn)在有關(guān)CP破壞理論驗(yàn)證上的貢獻(xiàn)。
高能所在Belle合作組成立之初就參加了實(shí)驗(yàn)并對(duì)軟件和物理分析做出了很多貢獻(xiàn)，包括發(fā)現(xiàn)矢量類粲偶素Y(4660)和帶電類粲偶素Zc(3900)+。目前，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的4-5 GeV間矢量粒子明顯多于粲偶素勢(shì)模型所預(yù)言的數(shù)量，理論上對(duì)Y(4660)等類粲偶素的性質(zhì)有各種各樣的猜測(cè)：包括普通粲偶素、粲偶素混雜態(tài)、介子分子態(tài)、重子分子態(tài)、多夸克態(tài)等；Y(4660)與北京譜儀III實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)的Zc(3900)+極有可能是一個(gè)四夸克態(tài)。
π+π?ψ(2S)不變質(zhì)量的分布以及擬合結(jié)果，兩個(gè)共振峰分別為Y(4360)和Y(4660)
SuperKEKB與Belle II
為保持日本在加速器領(lǐng)域的地位，在小林、益川獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)之后，日本政府批準(zhǔn)KEKB加速器與Belle探測(cè)器進(jìn)行升級(jí)改造。2010年，KEKB停止運(yùn)行，KEKB開(kāi)始重大改造，之后將成為SuperKEKB——超級(jí)B工廠，對(duì)撞亮度將提升至原來(lái)的40倍。
為適應(yīng)大大提升的數(shù)據(jù)量Belle將升級(jí)為Belle II——“絕世美女二世”，包括新的像素探測(cè)器（PXD）、更大的硅定點(diǎn)探測(cè)器（SVD）、新的中央漂移室（CDC）、新的粒子識(shí)別探測(cè)器（BPID）、改進(jìn)的電磁量能器（ECL）、新的KL與μ子探測(cè)器（KLM)，以及可升級(jí)的觸發(fā)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。
SuperKEKB與Belle II示意圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
Belle II效果圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
中國(guó)作出重要貢獻(xiàn)
Belle II由來(lái)自二十余個(gè)國(guó)家數(shù)百名科學(xué)家共同建造，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和北京航空航天大學(xué)參加了此項(xiàng)重要的國(guó)際合作，在探測(cè)器建造、軟件開(kāi)發(fā)、新強(qiáng)子態(tài)的尋找及粲介子振蕩和CP破壞研究中作出了重要貢獻(xiàn)。
以高能所的部分工作為例：
鑒于高能所在研制北京譜儀III觸發(fā)系統(tǒng)的過(guò)程中開(kāi)發(fā)出前沿技術(shù)并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，KEK相關(guān)專家于2007年底專程到高能所訪問(wèn)，初步考慮在Belle升級(jí)改造中采用北京譜儀III的光纖和高速串行讀出技術(shù)。此后，雙方專家進(jìn)行了密切的技術(shù)交流，KEK的探測(cè)器專家、電子學(xué)專家、觸發(fā)專家和數(shù)據(jù)獲取專家先后三次專訪高能所進(jìn)行技術(shù)討論，邀請(qǐng)高能所承擔(dān)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)。2009年底，高能所決定由實(shí)驗(yàn)物理中心組織相關(guān)人員成立項(xiàng)目組，承擔(dān)Belle II整體高速數(shù)據(jù)讀出與傳輸項(xiàng)目（Belle2Link）的研制與工程設(shè)計(jì)。
在仔細(xì)研究Belle II探測(cè)器技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，高能所項(xiàng)目組提出了軟件硬件通用、單一、普適的設(shè)計(jì)理念，將原來(lái)以漂移室為基礎(chǔ)研制的高性能數(shù)據(jù)讀出系統(tǒng)移植應(yīng)用于其他所有的子探測(cè)器，并在單一光纖鏈路上研制高速數(shù)據(jù)讀出和慢控命令及數(shù)據(jù)的共享傳輸，最后構(gòu)成完整的高速數(shù)據(jù)讀出與傳輸系統(tǒng)，這將使Belle II成為國(guó)際上首個(gè)實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)。
2010年3月，高能所項(xiàng)目組完成了Belle2Link項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)告、5月與KEK簽訂了實(shí)驗(yàn)室間的合作備忘錄，7月到KEK進(jìn)行Belle2Link與漂移室模型樣機(jī)的聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)獲得圓滿成功，這標(biāo)志著該項(xiàng)目由預(yù)制研究轉(zhuǎn)入與所有系統(tǒng)讀出系統(tǒng)的聯(lián)合工程設(shè)計(jì)。
高能所Belle2Link項(xiàng)目組部分成員（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
2012年底，Belle2link的設(shè)計(jì)與建造取得重要進(jìn)展，小單元數(shù)據(jù)獲?。ú杉┫到y(tǒng)成功進(jìn)行了宇宙線取數(shù)實(shí)驗(yàn)，Belle II國(guó)際合作的專家鑒定組對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了鑒定認(rèn)可，并成立了由高能所牽頭，由各個(gè)探測(cè)器電子學(xué)系統(tǒng)、觸發(fā)系統(tǒng)和KEK數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)參加的工作組，組織協(xié)調(diào)后續(xù)的改進(jìn)、聯(lián)調(diào)工作。高能所在Belle II國(guó)際合作中發(fā)揮著重要的作用。
工程進(jìn)展
經(jīng)過(guò)五年的大規(guī)模升級(jí)改造后，SuperKEKB于2016年2月1日開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試運(yùn)行并成功完成了正負(fù)電子束流注入及存儲(chǔ)，這是SuperKEKB整體調(diào)試的第一個(gè)里程碑。
SuperKEKB對(duì)撞區(qū)（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
與加速器調(diào)試運(yùn)行的同時(shí)，Belle II探測(cè)器各部分組件已逐步完成組裝和整合。2017年4月11日，由7個(gè)子探測(cè)器組成，高8米，重1400噸的Belle II被緩慢、精確地從13米外的組裝區(qū)域推進(jìn)到束流對(duì)撞點(diǎn)，歷時(shí)約5個(gè)小時(shí)。至此，Belle II探測(cè)器與SuperKEKB正式整合在一起了。
Belle II探測(cè)器順利推入SuperKEKB對(duì)撞點(diǎn)，對(duì)Belle II國(guó)際合作組和SuperKEKB工程來(lái)說(shuō)，是十分重要的里程碑。
推入SuperKEKB對(duì)撞點(diǎn)的Belle II探測(cè)器（圖片來(lái)自KEK）
當(dāng)然，周長(zhǎng)3公里的SuperKEKB規(guī)模比不上歐洲周長(zhǎng)27公里的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC，但千萬(wàn)別小瞧了SuperKEKB，它碰撞產(chǎn)生的粒子是揭開(kāi)反物質(zhì)之謎的前提。
Belle II利用世界上最先進(jìn)的技術(shù)，具有每秒鐘記錄約30000次碰撞數(shù)據(jù)的能力。預(yù)計(jì)從2018年開(kāi)始，Belle II將可收集比升級(jí)前Belle實(shí)驗(yàn)大50倍以上的數(shù)據(jù)樣本，測(cè)量精度也有大幅度的提升，這將有助于還原宇宙大爆炸粒子對(duì)撞的情景，幫助科學(xué)家精確測(cè)量基本粒子的相互作用，探究宇宙起源的奧秘，探索超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。
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