布魯克海文國家實驗室鳥瞰

布魯克海文國家實驗室(BNL)位于紐約長島薩福爾克縣（SUFFOLK COUNTY）中部，原場地為第一、二次世界大戰(zhàn)時的美國陸軍厄普頓兵營。第二次世界大戰(zhàn)期間，該兵營曾改建為新兵征召入伍中心，后被陸軍用作回國傷兵康復(fù)醫(yī)院。

BNL隸屬美國能源部，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臺開展研究用的反應(yīng)堆、數(shù)臺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)等多個領(lǐng)域的研究，取得多項令世界矚目的重大成果，并數(shù)次獲諾貝爾獎。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開始建造第一臺質(zhì)子同步加速器，取名COSMOTRON，系世界上首臺將粒子加速到10億電子伏特級（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)計指標(biāo)(3.3GeV)，是當(dāng)時世界上能量最高的加速器，也是首臺為在加速器之外提供實驗粒子束流的同步加速器。早期為實驗引出的束流流強(qiáng)為100億個質(zhì)子/脈沖，到1966年時流強(qiáng)提高了近100倍。

實驗用的探測器—80英寸泡室

實驗中，質(zhì)子的能量加速到3GeV后打靶，觀測到原子對撞的碎片。這對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介子和第一個矢量介子成為可能。同時它還是首臺產(chǎn)生不穩(wěn)定重粒子的加速器，在實驗中證實了相關(guān)奇異粒子產(chǎn)生的理論。

因COSMOTRON在設(shè)計時存在固有的局限性而使其能量受到限制，運行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，該實驗室于1960年建成交變梯度同步加速器AGS(Alternating Gradient Synchrotron)，能量達(dá)到設(shè)計指標(biāo)33 GeV。該加速器在其運行初期，束流的最高流強(qiáng)為3000億個質(zhì)子/脈沖，比原設(shè)計的流強(qiáng)高30倍。到1986年流強(qiáng)達(dá)到10¹²質(zhì)子/脈沖，比設(shè)計指標(biāo)高出1800倍。

科學(xué)家們利用AGS開展物理實驗，其中有四項實驗結(jié)果獲諾貝爾物理獎。

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)識到，通過使兩個被加速的束流發(fā)生碰撞，即可獲得更高的反應(yīng)能量，使用儲存環(huán)便可達(dá)到這一目的。因儲存環(huán)缺少具有相同能量的單個質(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)磁鐵建造兩個質(zhì)子交叉儲存環(huán)，才使束流對撞成為可能。

1975年第一塊1:1的超導(dǎo)磁鐵研制成功，其磁場超過預(yù)計設(shè)計值。1977年利用此技術(shù)開始建造一臺新的加速器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)計方案，1984年提出了建造相對論重粒子對撞機(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年投入運行。世界上許多科學(xué)家利用這一對撞機(jī)研究宇宙形成后的頭幾分鐘是何情景。RHIC使兩個金離子束發(fā)生亞原子對撞，從這些對撞中，物理學(xué)家們獲得的知識可能會有助于我們了解小到亞原粒子大到星體的物質(zhì)世界為什麼會按其運動的方式運動。  

RHIC示意圖

兩個金離子束發(fā)生亞原子對撞（側(cè)視圖）

對于在電子加速器上做實驗的高能物理學(xué)家來說，粒子沿圓形儲存環(huán)運轉(zhuǎn)時，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驗，研究沿原子核運動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行會產(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。

國家同步光源NSLS鳥瞰圖

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

兩位儲存環(huán)科學(xué)家（Renate Chasman and G.Kenneth Green）在NSLS的設(shè)計中插入直線節(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)的兩個直線節(jié)和X射線環(huán)5個直線節(jié)中插入特殊的扭擺磁鐵后，電子束流通過時會發(fā)生扭擺，因而釋放出更強(qiáng)的同步輻射。Chasman 和 Green的設(shè)計使NSLS產(chǎn)生世界一流的光束。

（高能所科研處 侯儒成編譯）