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③ 圖① 被稱為北京正負(fù)電子對撞機“眼睛”的北京譜儀Ⅲ（BESⅢ）。圖② 中科院高能物理所科研人員在安裝完成的北京譜儀（BESⅢ）端面簽名留念。圖③ 改造后的北京正負(fù)電子對撞機（BEPCⅡ）的雙儲存環(huán)。 |
■走近中國大科學(xué)工程
作為我國第一臺大科學(xué)裝置，中國科學(xué)院高能物理所的北京正負(fù)電子對撞機已經(jīng)持續(xù)工作27年。這個坐落于北京長安街以西地下的大裝置，一年當(dāng)中有10個月都在高速運轉(zhuǎn)，有超過400名高能物理學(xué)家在這里工作，而他們的目標(biāo)是研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，探索宇宙的奧秘。
發(fā)現(xiàn)新粒子是世界物理學(xué)家們共同覬覦的目標(biāo)。尋找新粒子的一個重要方法就是把粒子束流加速到接近光速的高能量并進行對撞，而這需要借助巨大的科學(xué)裝置完成，它就是對撞機。
“超級粒子大炮”是北京正負(fù)電子對撞機的一個形象比喻，它由四大部分組成，包括注入器、儲存環(huán)、北京譜儀（BESⅢ）和北京同步輻射裝置（BSRF）。歷經(jīng)風(fēng)雨，這臺我國最早的大科學(xué)裝置如今依然在國際粒子物理研究領(lǐng)域處于不可或缺的位置。
國家間科技力量的頂級比拼
高能物理在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域是一門探索物質(zhì)的微觀基本組元和它們之間相互作用規(guī)律的前沿學(xué)科。從宇宙的起源到生物物種的進化、天體的形成和演化等眾多領(lǐng)域高能物理都起著十分重要的作用。記者在中科院高能物理所大廳見到懸掛在墻上的一行字：“中國必須在世界高科技領(lǐng)域占有一席之地——鄧小平”。這是北京正負(fù)電子對撞機在1988年10月建成時，鄧小平親臨視察時發(fā)表的著名講話。
中國科學(xué)院高能物理所研究員張闖已經(jīng)圍繞北京正負(fù)電子對撞機工作了30余年，他告訴科技日報記者：“尋找微觀世界粒子結(jié)構(gòu)的工作，已經(jīng)不僅是世界頂尖物理學(xué)家的激烈競爭，而是國家之間在科技力量的頂級比拼?！?/p>
從1990年開始運行到2005年，北京正負(fù)電子對撞機（BEPC）取得了一系列國際領(lǐng)先的研究成果。1992 年，北京譜儀τ輕子質(zhì)量測量的精確結(jié)果糾正了過去τ輕子質(zhì)量的實驗偏差，把測量精度提高了7倍，驗證了輕子普適性原理；1999年，對2—5GeV能區(qū)的強子截面進行了測量，將過去世界平均值的精度從15％—20％提高到6.6％，將Higgs的質(zhì)量下限從61GeV改變到90GeV，解決了標(biāo)準(zhǔn)模型與實驗結(jié)果的一個矛盾；2005年，發(fā)現(xiàn)的新型粒子X1835開辟了一個國際前沿研究熱點領(lǐng)域，在多夸克態(tài)尋找和研究等方面作出重要貢獻。
北京正負(fù)電子對撞機（BEPC）第一任工程經(jīng)理謝家麟院士曾表示，由于北京正負(fù)電子對撞機的建成和運行，為我國在國際高能物理研究前沿領(lǐng)域開展工作創(chuàng)造了條件，使我國在τ粲物理實驗研究領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位。“中國從此就進入了能夠進行高能物理實驗研究的科技先進國家之林?！?/p>
北京正負(fù)電子對撞機在粲物理實驗研究中取得的重大成就及其對國際高能物理發(fā)展的巨大影響，引起了國際高能物理界對粲物理的極大興趣，物理學(xué)界十分重視這一能區(qū)的豐富物理“礦藏”。
兩次改造中的幕后故事
一個大科學(xué)裝置建成以后，只有不斷提高性能，才能保持國際領(lǐng)先地位。張闖告訴科技日報記者，在2001年國際粲物理實驗研究的形勢出現(xiàn)了很大的變化。中科院高能物理所的科學(xué)家們計劃對北京正負(fù)電子對撞機（BEPC）進行改造，改造工程最初計劃采用的是單環(huán)方案，使用麻花軌道實現(xiàn)多束團對撞，亮度提高30倍左右。
2001年初，中科院高能物理所的科學(xué)家們帶著改造方案去同美國的同行交流和論證，得知作為長期國際科研合作的美國康奈爾大學(xué)基本粒子物理實驗室決定將其正負(fù)電子對撞機（CESR）從質(zhì)心能量11GeV左右下調(diào)到3—5GeV（可稱為CESRc），到粲物理研究領(lǐng)域與北京正負(fù)電子對撞機（BEPC）競爭，該對撞機計劃在2003年底開始運行。
在高能物理研究領(lǐng)域，每個國家的實驗室都有自己的實驗?zāi)軈^(qū)，一旦同一個區(qū)域有了競爭者，就只能有一個勝出。
然而，這時中科院高能物理所的科學(xué)家們并不能確保新的北京正負(fù)電子對撞機（BEPCⅡ）的單環(huán)方案能在與CESRc的競爭中取得優(yōu)勢，這將有可能使我國高能物理實驗領(lǐng)域失去在世界上已有的一席之地。
“剛聽到這個消息時，心里比那時美國的冬天還要涼。”張闖說，北京正負(fù)電子對撞機的改造設(shè)計是要大幅度提高對撞亮度，難度很大，而康奈爾大學(xué)的改造則是在一臺高亮度的對撞機里向下調(diào)整工作能區(qū)，設(shè)計亮度同單環(huán)的BEPC改造方案相同，可以比較快地達到目標(biāo)。
時任高能物理所所長的陳和生給在紐約的華裔物理學(xué)家李政道打電話，說明了遇到的情況，李先生在電話中用一句“Life is interesting.”鼓勵中國的科學(xué)家要把改造堅持下去。之后陳和生與張闖又去拜訪了美國斯坦福直線加速器中心，那里的科學(xué)家也給了他們很多鼓勵。“那時，我們覺得在挑戰(zhàn)面前沒有退路，這件事再難也要做下去。”張闖說。
跨越奇跡的改造獲得對手認(rèn)可
面對嚴(yán)峻的競爭，科學(xué)家們決定對最初的方案進行調(diào)整，采用當(dāng)時世界上最先進的雙環(huán)交叉對撞技術(shù)對對撞機進行改造。原先正負(fù)電子共用一條“光速跑道”，改造后正負(fù)電子束流各占一條“跑道”，進行大水平角度對撞，在對撞后迅速分開，從而大大增加束團的數(shù)目，有望大幅度提高對撞的亮度。
但要實現(xiàn)從單環(huán)到雙環(huán)的改造難度超乎想象。由于改造是在原來的隧道安裝雙環(huán)，場地十分擁擠，十幾噸的設(shè)備不能使用大吊車安裝，數(shù)萬根電纜一根都不能接錯，而這些僅僅是改造工程千頭萬緒的幾縷。
儲存環(huán)設(shè)備的“拆舊安新”工作，是工程關(guān)鍵和困難的一步。國際上成功的雙環(huán)電子對撞機的周長一般在2公里以上，而北京正負(fù)電子對撞機儲存環(huán)的周長只有240米，且隧道截面小、對撞區(qū)短。改造后的對撞機，要在240米周長的隧道內(nèi)給正負(fù)電子束流各做一個儲存環(huán)，還要保持“一機兩用”，增加同步輻射插入件和引出口，難度和壓力非常大。
中科院高能物理所投入了最精干的科研力量，并集中了上百家國內(nèi)制造廠家，對重要設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)進行攻關(guān)。在對撞機改造工程中許多設(shè)備的制作都屬國內(nèi)首創(chuàng)，如正電子源、超導(dǎo)磁鐵、雙孔徑四極磁鐵的制作、前室真空盒的研制加工、探測器主漂移室的精密加工、晶體量能器等，都是通過研究所和工廠通力合作完成的。
改造后的北京正負(fù)電子對撞機（BEPCⅡ）在世界同類型裝置中繼續(xù)保持領(lǐng)先地位，成為國際上最先進的雙環(huán)對撞機之一，也是該能區(qū)迄今為止亮度最高的對撞機。
當(dāng)BEPCⅡ第一次對撞取得成功后，中科院高能物理所收到了來自美國康奈爾大學(xué)CESR—c項目負(fù)責(zé)人之一賴斯教授的郵件，他在郵件中寫道：“CESR—c將終止運行，我們期待來自BEPCⅡ的一系列重要的發(fā)現(xiàn)?！?/p>
BEPCⅡ的建設(shè)和運行不僅推動了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域高技術(shù)的發(fā)展，還與國際先進技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了高水平的集成創(chuàng)新，自主研制的設(shè)備超過85％，形成了一系列高新技術(shù)儲備，也為后續(xù)的大科學(xué)裝置如大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗、中國散裂中子源和加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)等奠定了技術(shù)和人才基礎(chǔ)。
BEPCⅡ建成后，實現(xiàn)了高亮度、高效率的運行，建立以我為主的BESⅢ國際合作組，由11個國家的50多所大學(xué)和研究機構(gòu)（其中我國有29個單位）的近400名科學(xué)家組成，在輕強子譜的研究、粲偶素的衰變等方面取得多項重大物理成果，其中，發(fā)現(xiàn)四夸克態(tài)新粒子被美國《物理》雜志評選為2013年國際物理領(lǐng)域11項重要成果之首。
與此同時，作為北京正負(fù)電子對撞機的寄生裝置——同步輻射，可以提供從硬X射線到真空紫外光的寬波段同步輻射光，為凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、軟X光學(xué)、微電子及微機械技術(shù)等多學(xué)科應(yīng)用研究提供了先進的實驗手段。中國第一條生物大分子晶體學(xué)實驗站于2003年建成并正式投入使用，獲得了具有重要生物學(xué)意義的SARS冠狀病毒蛋白酶大分子結(jié)構(gòu)、揭示砒霜治療急性早幼粒細(xì)胞性白血病的分子機理等重要成果。目前，北京同步輻射裝置每年為100多個科研單位的500多個課題提供服務(wù)，成為向社會開放的多學(xué)科實驗平臺。
《科技日報》2015年12月25日 第01版
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