布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室鳥瞰

布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)位于紐約長(zhǎng)島薩福爾克縣（SUFFOLK COUNTY）中部，原場(chǎng)地為第一、二次世界大戰(zhàn)時(shí)的美國(guó)陸軍厄普頓兵營(yíng)。第二次世界大戰(zhàn)期間，該兵營(yíng)曾改建為新兵征召入伍中心，后被陸軍用作回國(guó)傷兵康復(fù)醫(yī)院。

BNL隸屬美國(guó)能源部，由石溪大學(xué)和BATTELLE成立的公司布魯克海文科學(xué)學(xué)會(huì)負(fù)責(zé)管理。BNL具有50年杰出科學(xué)成就的歷史，擁有3臺(tái)開展研究用的反應(yīng)堆、數(shù)臺(tái)不同類型的粒子加速器和多種先進(jìn)的研究裝置。它開創(chuàng)了核技術(shù)、高能物理、化學(xué)和生命科學(xué)、納米技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的研究，取得多項(xiàng)令世界矚目的重大成果，并數(shù)次獲諾貝爾獎(jiǎng)。BNL已成為世界著名的大型綜合性科學(xué)研究基地。

高能同步穩(wěn)相加速器（COSMOTRON）

1948年BNL開始建造第一臺(tái)質(zhì)子同步加速器，取名COSMOTRON，系世界上首臺(tái)將粒子加速到10億電子伏特級(jí)（GeV）的加速器（與簇射到地球外部大氣層的宇宙線能量相同）。

COSMOTRON 1953年建造成功，能量達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)(3.3GeV)，是當(dāng)時(shí)世界上能量最高的加速器，也是首臺(tái)為在加速器之外提供實(shí)驗(yàn)粒子束流的同步加速器。早期為實(shí)驗(yàn)引出的束流流強(qiáng)為100億個(gè)質(zhì)子/脈沖，到1966年時(shí)流強(qiáng)提高了近100倍。

實(shí)驗(yàn)用的探測(cè)器—80英寸泡室

實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)子的能量加速到3GeV后打靶，觀測(cè)到原子對(duì)撞的碎片。這對(duì)更好地了解許多亞原子粒子的復(fù)雜性質(zhì)極端重要。COSMOTRON是首臺(tái)產(chǎn)生所有已知宇宙中存在的正負(fù)介子的加速器，使發(fā)現(xiàn)K⁰_L介子和第一個(gè)矢量介子成為可能。同時(shí)它還是首臺(tái)產(chǎn)生不穩(wěn)定重粒子的加速器，在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了相關(guān)奇異粒子產(chǎn)生的理論。

因COSMOTRON在設(shè)計(jì)時(shí)存在固有的局限性而使其能量受到限制，運(yùn)行14 年后于1966年關(guān)閉，1969年拆除。  

交變梯度同步加速器AGS

隨著加速器技術(shù)的發(fā)展，為將質(zhì)子加速到更高的能量，該實(shí)驗(yàn)室于1960年建成交變梯度同步加速器AGS(Alternating Gradient Synchrotron)，能量達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)33 GeV。該加速器在其運(yùn)行初期，束流的最高流強(qiáng)為3000億個(gè)質(zhì)子/脈沖，比原設(shè)計(jì)的流強(qiáng)高30倍。到1986年流強(qiáng)達(dá)到10¹²質(zhì)子/脈沖，比設(shè)計(jì)指標(biāo)高出1800倍。

科學(xué)家們利用AGS開展物理實(shí)驗(yàn)，其中有四項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。

AGS鳥瞰圖

AGS隧道

1983年停建的ISABELLE

像AGS這樣的單環(huán)加速器在將質(zhì)子加速打固定靶后，多數(shù)可用的能量在反應(yīng)中丟失，使其可達(dá)到的能量受到限制。加速器專家們認(rèn)識(shí)到，通過使兩個(gè)被加速的束流發(fā)生碰撞，即可獲得更高的反應(yīng)能量，使用儲(chǔ)存環(huán)便可達(dá)到這一目的。因儲(chǔ)存環(huán)缺少具有相同能量的單個(gè)質(zhì)子加速器的多用性，故一直沒能建造，直到提出利用超導(dǎo)磁鐵建造兩個(gè)質(zhì)子交叉儲(chǔ)存環(huán)，才使束流對(duì)撞成為可能。

1975年第一塊1:1的超導(dǎo)磁鐵研制成功，其磁場(chǎng)超過預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)值。1977年利用此技術(shù)開始建造一臺(tái)新的加速器ISABELLE，但1981年在制造超導(dǎo)磁鐵中遇到一些技術(shù)問題而于1983年停建。

AGS作為注入器的對(duì)撞機(jī)RHIC

科學(xué)家們繼續(xù)研究制定新的更先進(jìn)的加速設(shè)計(jì)方案，1984年提出了建造相對(duì)論重粒子對(duì)撞機(jī)RHIC的方案，充分利用BNL現(xiàn)有的設(shè)備，將AGS作為注入器并利用原ISABELLE隧道。

經(jīng)過10年的預(yù)制研究和建造，RHIC于2000年投入運(yùn)行。世界上許多科學(xué)家利用這一對(duì)撞機(jī)研究宇宙形成后的頭幾分鐘是何情景。RHIC使兩個(gè)金離子束發(fā)生亞原子對(duì)撞，從這些對(duì)撞中，物理學(xué)家們獲得的知識(shí)可能會(huì)有助于我們了解小到亞原粒子大到星體的物質(zhì)世界為什麼會(huì)按其運(yùn)動(dòng)的方式運(yùn)動(dòng)。  

RHIC示意圖

兩個(gè)金離子束發(fā)生亞原子對(duì)撞（側(cè)視圖）

對(duì)于在電子加速器上做實(shí)驗(yàn)的高能物理學(xué)家來說，粒子沿圓形儲(chǔ)存環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，帶電粒子沿切線方向釋放出電磁輻射，造成粒子能量損失的同步輻射是令人討厭的，但從事凝聚態(tài)物理研究的物理學(xué)家則可利用同步輻射光開展實(shí)驗(yàn)，研究沿原子核運(yùn)動(dòng)的電子和分子中原子的位置。電子在同步加速器中沿軌道運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生同步輻射正是后來成為BNL最具影響的加速器物理學(xué)家布魯埃特做出的預(yù)言。

國(guó)家同步光源NSLS鳥瞰圖

1978年9月28日，美國(guó)能源部撥款在BNL建造專用于產(chǎn)生同步光的國(guó)家同步輻射光源NSLS破土動(dòng)工，其超真空紫外線環(huán)于1982年晚些時(shí)候投入運(yùn)行，而X射線環(huán)則于1984年開始進(jìn)行調(diào)試。

兩位儲(chǔ)存環(huán)科學(xué)家（Renate Chasman and G.Kenneth Green）在NSLS的設(shè)計(jì)中插入直線節(jié)，并將彎轉(zhuǎn)磁鐵、聚焦磁鐵和校正磁鐵周期性的擺放，通常稱為Chasman-Green布局或“雙聚焦消色”布局。當(dāng)在超真空紫外環(huán)的兩個(gè)直線節(jié)和X射線環(huán)5個(gè)直線節(jié)中插入特殊的扭擺磁鐵后，電子束流通過時(shí)會(huì)發(fā)生扭擺，因而釋放出更強(qiáng)的同步輻射。Chasman 和 Green的設(shè)計(jì)使NSLS產(chǎn)生世界一流的光束。

（高能所科研處 侯儒成編譯）