近日，一則「Belle II探測器推入對撞點」的報道令人有些疑惑，這個Belle II是幹什麼的？BelleII推入對撞點有何重要意義？

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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、優雅、善良、勇敢的公主。

而在日本高能加速器研究機構KEK，建在非對稱正負電子對撞機KEKB一個對撞點上的，用於進行CP對稱性破壞研究的大型粒子探測器1995年被命名為Belle——法文中「絕世美女」之意。Belle是一項重要的國際合作實驗，此項實驗研究需要加速器產生大量的B介子，KEKB被稱為「B介子工廠」。

在獲得多項重要成果之後，日本政府批准KEKB進行重大升級改造，改造完成後將成為SuperKEKB——「超級B介子工廠」，用於探究宇宙起源的奧秘，探索超出標準模型的新物理，位於SuperKEKB對撞點上的新粒子探測器則被命名為BelleII——「絕世美女二世」。

至此，就明白啦，Belle II推入對撞點，對BelleII國際合作組和SuperKEKB工程來說，是十分重要的里程碑。

KEK

日本高能加速器研究機構KEK的全稱是High Energy Accelerator ResearchOrganization，其前身是1971年成立的日本高能物理研究所（National Laboratory for HighEnergy Physics），簡稱KEK，隸屬日本文部省的國家實驗室，從事高能物理、核物理和加速器技術研究。

為增強國際競爭力，日本文部省於1997年4月將KEK與東京大學原子核科學研究所INS（Institute for NuclearStudy）、東京大學理學院附屬的介子科學實驗室MSL（Muon ScienceLaboratory）合併，成立了高能加速器研究機構（High Energy Accelerator ResearchOrganization），英文縮寫仍沿用KEK，定位為：發展粒子加速器，開展粒子物理、核物理以及材料功能和結構研究。

日本KEK位置圖（圖片來自Google）

日本KEK（圖片來自https://www.kek.jp/en/）

KEKB與Belle

為深入研究基本粒子的性質，科學家們必須想辦法在實驗室中「生產」出大量開展某種研究所需要的粒子。通常採用的辦法是用粒子加速器將電子、質子或其它帶電的粒子加速到很高的能量，然後讓束流打靜止靶，與核子或電子碰撞，或者是讓相向運動的粒子束流對撞來產生大量某種粒子，然後用相應的專用探測器來探測這種粒子的衰變過程。

為尋找「頂夸克」，KEK耗資870億日元，費時五年於1986年建成了可轉移對撞型儲存環加速器TRISTAN。但後來發現頂夸克的質量遠大於理論學家原先的預期，超出了此加速器的設計指標範圍，預定的科學目標根本無法實現，TRISTAN於1995年停止運行。KEK又耗資380億日元，沿用安裝TRISTAN的地下隧道，對TRISTAN的偏轉聚焦磁鐵、束流管與超導高頻加速空腔進行升級改造，建成一個周長約3公里的非對稱正負電子對撞機KEKB，由8GeV能量的電子與3.5GeV能量的正電子對撞，產生大量B介子和反B介子，因此也稱為「B介子工廠」。KEKB於1998年開始運行。

KEKB與Belle示意圖（圖片來自網路）

Belle探測器位於KEKB的一個對撞點上，這位「絕世美女」不能算苗條，長、寬、高均為8米，重量約1500噸，前置量能器、硅頂點探測器、中央漂移室、切倫科夫計數器、飛行時間計數器、碘化銫電磁量能器、以及K介子與μ子探測器等子探測器由內到外排列。經由這些子探測器，電子與正子在對撞點對撞后每年產生的約1億個B介子-反B介子衰變事例以及各式各樣的物理反應過程的相關信息將被完整地記錄下來。

Belle探測器（圖片來自網路）

數百位科學家組成的研究團隊利用Belle取得的數據進行CP破壞（粒子與反粒子性質的不同）方面的研究。CP破壞對於揭秘宇宙中反物質消失相當關鍵，理論學家預言在B介子衰變系統下應可觀察到很大的CP破壞現象，正因如此，Belle實驗始終受到世界矚目。

KEKB自1999年6月開始運行，Belle國際合作組取得了不少重要的研究成果，特別是2001年，由Belle實驗確認了由夸克構成的正反粒子——B介子和反B介子的「CP對稱性破缺」現象，從而驗證了日本科學家小林誠和益川敏英提出的「小林-益川CP破壞理論」。小林誠、益川敏英與另一美籍日裔科學家南部陽一郎一起分享了2008年諾貝爾物理學獎，瑞典國家科學院頒獎時強調了Belle實驗在有關CP破壞理論驗證上的貢獻。

高能所在Belle合作組成立之初就參加了實驗並對軟體和物理分析做出了很多貢獻，包括發現矢量類粲偶素Y(4660)和帶電類粲偶素Zc(3900)+。目前，實驗中發現的4-5GeV間矢量粒子明顯多於粲偶素勢模型所預言的數量，理論上對Y(4660)等類粲偶素的性質有各種各樣的猜測：包括普通粲偶素、粲偶素混雜態、介子分子態、重子分子態、多夸克態等；Y(4660)與北京譜儀III實驗同時發現的Zc(3900)+極有可能是一個四夸克態。

π+π−ψ(2S)不變質量的分佈以及擬合結果，兩個共振峰分別為Y(4360)和Y(4660)

SuperKEKB與Belle II

為保持日本在加速器領域的地位，在小林、益川獲諾貝爾物理學獎之後，日本政府批准KEKB加速器與Belle探測器進行升級改造。2010年，KEKB停止運行，KEKB開始重大改造，之後將成為SuperKEKB——超級B工廠，對撞亮度將提升至原來的40倍。

為適應大大提升的數據量Belle將升級為BelleII——「絕世美女二世」，包括新的像素探測器（PXD）、更大的硅定點探測器（SVD）、新的中央漂移室（CDC）、新的粒子識別探測器（BPID）、改進的電磁量能器（ECL）、新的KL與μ子探測器（KLM)，以及可升級的觸發和數據獲取系統。

SuperKEKB與Belle II示意圖（圖片來自網路）

Belle II效果圖（圖片來自網路）

中國作出重要貢獻

BelleII由來自二十餘個國家數百名科學家共同建造，中國科學院高能物理研究所、北京大學、中國科學技術大學和北京航空航天大學參加了此項重要的國際合作，在探測器建造、軟體開發、新強子態的尋找及粲介子振蕩和CP破壞研究中作出了重要貢獻。

以高能所的部分工作為例：

鑒於高能所在研製北京譜儀III觸發系統的過程中開發出前沿技術並積累了豐富的經驗，KEK相關專家於2007年底專程到高能所訪問，初步考慮在Belle升級改造中採用北京譜儀III的光纖和高速串列讀出技術。此後，雙方專家進行了密切的技術交流，KEK的探測器專家、電子學專家、觸發專家和數據獲取專家先後三次專訪高能所進行技術討論，邀請高能所承擔相關關鍵技術的設計。2009年底，高能所決定由實驗物理中心組織相關人員成立項目組，承擔BelleII整體高速數據讀出與傳輸項目（Belle2Link）的研製與工程設計。

在仔細研究BelleII探測器技術要求的基礎上，高能所項目組提出了軟體硬體通用、單一、普適的設計理念，將原來以漂移室為基礎研製的高性能數據讀出系統移植應用於其他所有的子探測器，並在單一光纖鏈路上研製高速數據讀出和慢控命令及數據的共享傳輸，最後構成完整的高速數據讀出與傳輸系統，這將使BelleII成為國際上首個實現該項新技術的實驗。

2010年3月，高能所項目組完成了Belle2Link項目技術設計報告、5月與KEK簽訂了實驗室間的合作備忘錄，7月到KEK進行Belle2Link與漂移室模型樣機的聯調實驗獲得圓滿成功，這標誌著該項目由預製研究轉入與所有系統讀出系統的聯合工程設計。

高能所Belle2Link項目組部分成員（圖片來自網路）

2012年底，Belle2link的設計與建造取得重要進展，小單元數據獲取（採集）系統成功進行了宇宙線取數實驗，BelleII國際合作的專家鑒定組對該系統進行了鑒定認可，並成立了由高能所牽頭，由各個探測器電子學系統、觸發系統和KEK數據獲取系統參加的工作組，組織協調後續的改進、聯調工作。高能所在BelleII國際合作中發揮著重要的作用。

工程進展

經過五年的大規模升級改造后，SuperKEKB於2016年2月1日開始進行測試運行並成功完成了正負電子束流注入及存儲，這是SuperKEKB整體調試的第一個里程碑。

SuperKEKB對撞區（圖片來自網路）

與加速器調試運行的同時，BelleII探測器各部分組件已逐步完成組裝和整合。2017年4月11日，由7個子探測器組成，高8米，重1400噸的BelleII被緩慢、精確地從13米外的組裝區域推進到束流對撞點，歷時約5個小時。至此，BelleII探測器與SuperKEKB正式整合在一起了。

Belle II探測器順利推入SuperKEKB對撞點，對BelleII國際合作組和SuperKEKB工程來說，是十分重要的里程碑。

推入SuperKEKB對撞點的Belle II探測器（圖片來自KEK）

當然，周長3公里的SuperKEKB規模比不上歐洲周長27公里的大型強子對撞機LHC，但千萬別小瞧了SuperKEKB，它碰撞產生的粒子是揭開反物質之謎的前提。

Belle II利用世界上最先進的技術，具有每秒鐘記錄約30000次碰撞數據的能力。預計從2018年開始，BelleII將可收集比升級前Belle實驗大50倍以上的數據樣本，測量精度也有大幅度的提升，這將有助於還原宇宙大爆炸粒子對撞的情景，幫助科學家精確測量基本粒子的相互作用，探究宇宙起源的奧秘，探索超出標準模型的新物理。

參考資料

1、Belle II探測器推入對撞點，

http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2017/201704/t20170412_4773977.html

2、孫德暉，Belle II實驗全局數據讀出與傳輸原型樣機的設計與實現，博士論文2012

3、郁忠強、張闖，B介子工廠的挑戰，《現代物理知識》第6卷第1期

4、非對稱正負電子對撞機KEKB，

http://lssf.cas.cn/lssf/kpyd/zsk/kyjd/201006/t20100616_4513343.html

5、高能所BelleII國際合作硬體設計取得重要進展，

http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2010/201007/t20100730_2915500.html

6、Belle II國際合作建造取得重要進展，

http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2012/201212/t20121211_3704309.html

7、超級B介子工廠正負電子儲存環首次注入並存儲束流，

http://www.ihep.cas.cn/xwdt/cmsm/2016/201603/t20160303_4541992.html

8、宇宙中反物質到哪裡去了？這個1400噸龐然大物要揪出它的蹤跡，

http://www.toutiao.com/i6311940591122907650/

■小溪/文 ■苑長征/審校

來源：中科院高能所（casihep）