北京正負電子對撞機對撞區(qū)和北京譜儀Ⅲ

　　2018 年10 月16 日，北京正負電子對撞機（Beijing Electron Positron Collider，BEPC）就建成并投入運行整整30 年了。在我國高能加速器與高能物理研究發(fā)展的進程中，BEPC 是“ 根” 一般的存在。1988 年建成，2004—2009 年升級改造為雙環(huán)對撞機，30 年來，我國高能物理實驗領域以此為起點，從無到有，取得了令世界矚目的進展：我們能獨立設計建造加速器、探測器并開展物理研究；我們在2~5 GeV 能區(qū)的τ 物理、粲物理、粲偶素、量子色動力學檢驗等方面走到了世界前列；我們開拓了中微子研究領域，利用大亞灣反應堆中微子實驗發(fā)現了中微子新的振蕩模式，精確測量了其振蕩幅度，并開始了江門中微子實驗的建設；同時，我們在高海拔和空間宇宙線實驗、暗物質探測、X 射線天體物理研究等方面也取得了長足的進步，“慧眼”衛(wèi)星正遨游太空，一系列國際領先的科研設施正在建設中。在此基礎上，我國的同步輻射和散裂中子源裝置的建設和應用也從無到有，逐步走到世界前列。

　　作為中國基于粒子加速器的高能物理實驗研究的起點，BEPC 走過的路是不平坦的，經歷了很多曲折。幸運的是，30 年前，中國在高能物理領域邁出了正確的第一步。雖然由于經濟和技術能力的限制，BEPC 不是當時最先進的加速器，其能量只有當時國際最高能量、位于歐洲的大型正負電子對撞機（Large Electron–Positron Collider，LEP） 的1/20，周長只有其1/100，但BEPC不負眾望，取得了與投入相匹配的成就，奠定了中國加速器、探測器及相關關鍵技術的基礎，為中國高能物理學界和產業(yè)界培養(yǎng)了大批人才，將互聯網、萬維網和網格計算引進國內，同時也在技術創(chuàng)新和成果轉化方面取得了一系列驕人成績。回過頭來看，BEPC 是當時能夠做的最好選擇。

　　BEPC 是我國高能物理國際地位的決定性支撐

　　由于對粒子物理標準模型的建立起到重要作用，自J/ψ 和τ 粒子被發(fā)現以后，人們從未停止對它們的系統(tǒng)研究，以其為代表的研究工作奠定了一個新的研究方向：τ-粲物理。特別是，粲物理介于微擾和非微擾強相互作用理論的適用范圍之間，是檢驗非微擾理論計算的極好平臺。即使在今天，非微擾理論計算仍然是粒子物理的難點之一。在長達幾十年的時間里，τ- 粲物理研究一直是國際高能物理的高精度測量研究前沿和熱點之一，對于精確檢驗標準模型，發(fā)展量子色動力學，探索新的物理現象等有重大的科學意義。

　　在經歷了對撞機建造方案“七上七下”的曲折后，北京正負電子對撞機，即BEPC，終于成功上馬。它所選擇的能區(qū)恰恰是τ- 粲物理的一個“富礦區(qū)”，為我國的高能物理研究后來居上提供了機遇和支撐。

　　早在1970 年代，鄧小平就曾多次強調，雖然建造高能加速器耗資巨大，但從長遠看很有意義，“非搞不行”。他說：“這是從長遠發(fā)展的利益著眼，既然要搞四個現代化，就得看高一點，看遠一點，不能只看到眼前。這是一個難的事情，但可以帶動許多方面，也許這個決心可以幫助我們把發(fā)展的程度提高得快一點?！?/p>

　　他請當時主管科技工作的方毅副總理就對撞機建造方案組織專家進行反復論證。在多方聽取國內外專家意見，特別是各種不同意見的基礎上，他以一個政治家的遠見卓識看到發(fā)展高能物理研究對于提高我國科學技術水平的巨大作用，于1981 年底親自批準了北京正負電子對撞機工程。1984 年10 月7 日，對撞機工程在北京西郊玉泉路的中科院高能物理研究所破土動工，他來到工程奠基現場，親自揮鍬鏟土為奠基石培了第一锨土。針對當時對撞機建設是否“超前”的爭議，他堅定地對在場的中外科學家說：“我相信，這件事不會錯?！苯裉?，經過30 年的實踐，已經證明建造對撞機對我國科技發(fā)展起到了極其重要的作用，大大提升了國家的科技實力。

　　在BEPC 建成前，我國科學家只能參與別的國家主導的高能物理實驗。1988 年BEPC 和北京譜儀（Beijing Spectrometer，BES）建成并投入運行，是粲物理能區(qū)最好的實驗裝置，具有閾值優(yōu)勢，能提供本底最小的高統(tǒng)計量數據樣本，成為了國際粒子物理研究的一個重要實驗平臺，吸引了各國科學家到此開展合作、研究。我們終于有條件作為東道國組織多國科學家參與的、大規(guī)模的物理實驗，進行以中方為主的國際合作。由于BEPC 的出色性能，1990 年，同樣運行在τ- 粲物理能區(qū)的美國斯坦福直線加速器中心的對撞機SPEAR（Stanford Positron Electron Asymmetric Rings）停止運行。

　　1992 年，參與科學研究的中美科學家組成了一個合作組，稱作BES 合作組，合作組逐漸發(fā)展為來自中國、美國、日本、俄羅斯、德國等10多個國家和地區(qū)50 個研究機構的幾百名科學家參加的大型國際合作組。BES 合作組成員在物理課題選取、運行計劃安排、數據分析、文章評審、參與國際會議、機制和規(guī)章建立和未來發(fā)展等多方面通力合作，在輕強子譜、粲偶素物理、粲物理、量子色動力學和τ 物理等方面取得了一系列豐碩的實驗成果。這既是我們今天討論的“中國發(fā)起的國際大科學計劃和工程”的先驅，也提供了寶貴的經驗，培養(yǎng)了人才。

　　從1990 年代中期開始，高能物理學家就開始討論中國高能物理實驗的未來發(fā)展。經過長期研討，最后大家取得共識，認為在北京譜儀已有的τ- 粲物理研究成果的基礎上，繼續(xù)開展τ-粲物理研究，科學意義重大，是考慮到國力可接受的范圍、已有的技術基礎和經驗、完成建設任務所需的時間等各方面因素的最佳選擇，對發(fā)展我國高能物理研究、鞏固我國在國際高能物理研究領域的一席之地具有重要意義。這就是北京正負電子對撞機重大改造工程（BEPCⅡ），包括加速器和譜儀（BESⅢ）。

　　2008 年，BEPCⅡ完成了全部建設任務后，開始投入試運行。也正是在這一年，美國康奈爾大學運行在同能區(qū)的對撞機CESR（Cornell Electron Storage Ring）停止運行。

　　新的北京正負電子對撞機（BEPCⅡ） 和北京譜儀（BESⅢ），指標和性能達到國際最好技術水平，每天獲取的數據比過去提高了兩個數量級。目前，BES 實驗（包括BES 實驗、BES Ⅱ實驗和BES Ⅲ實驗）積累的事例數據比此前國際上其他實驗室的數據至少高一個數量級，構成了τ- 粲能區(qū)世界最大的數據樣本。以我為主的BES 實驗，在τ 輕子質量的精確測量、R 值測量、發(fā)現新強子態(tài)、J/ψ 共振參數的精確測量、Ds 物理研究、ψ（2S）粒子及粲夸克偶素物理的實驗研究、J/ψ 衰變物理的實驗研究等方面取得一系列國際領先的研究成果，在國際著名期刊上發(fā)表文章400 多篇，被國際權威《粒子物理手冊（PDG）》引用的成果500 多項。主要的代表性成果如下：

　　τ 輕子質量精確測量

　　1992 年BES 的τ 輕子質量測量把精度提高了10倍，糾正了此前超過2 倍標準誤差的測量偏差，結合國際上同時期的輕子壽命和衰變分支比的精確實驗測定，證實此前受到懷疑的輕子普適性原理是成立的，解決了標準模型的一個重大疑點，被國際上評價為當年最重要的高能物理實驗成果之一。

　　這是在北京譜儀上取得的第一項重要成果，中國的粒子實驗物理研究也因此贏得了世界同行的稱贊和尊重，北京譜儀使用的先進實驗方法也得到了認可和推廣。這項成果被中國新聞界和學術界評為1992 年世界十大科技新聞，中國十大科技新聞和中國十大科技成就，并獲得1995 年度國家自然科學獎二等獎。

　　2-5GeV 能區(qū)R值的精確測量

　　1999 年BES 對2~5 GeV 能區(qū)正負電子對撞的強子反應截面（R 值）的測量，將測量精度提高了2~3 倍，使精細結構常數的誤差降低為之前的一半，大大提高了標準模型對希格斯粒子質量的預測精度，解決了標準模型預言與實驗結果不一致的矛盾，得到了國際高能物理界的高度評價。

　　2002 年的《粒子物理手冊（PDG）》對多年不變的R 值作了重大改動，添加了北京譜儀的全部結果。物理學家們據此重新進行計算，調整了原先標準模型對希格斯粒子質量中心值及其上限的預測，這對于當時尋找和發(fā)現希格斯粒子實驗有很重要的指導意義和影響。法國科學院院士達維耶（M. Davier）稱北京譜儀國際合作組的該成果為R 值的“北京革命”，俄羅斯物理學家艾德爾曼（S. I. Eidelman）稱之為R 值測量的“真正突破”。

　　這一成果的取得再次顯示了北京正負電子對撞機/北京譜儀在國際高能物理界占有一席之地的重要地位。此項成果獲得2004 年度國家自然科學獎二等獎。

　　輕強子譜研究

　　2003 年以來，BES Ⅱ實驗曾發(fā)現了一些異于普通強子的新的共振態(tài)，如新粒子X（1835），極有可能是高能物理實驗中尋找了幾十年的、普通夸克模型以外的新型粒子。2006 年的《粒子物理手冊（PDG）》首次收錄了X（1835） 新粒子。2013 年，“ 北京譜儀Ⅱ實驗發(fā)現新粒子”獲得國家自然科學獎二等獎。

　　近年來，BES Ⅲ實驗利用世界最大的J/ψ 事例等數據樣本，對強子譜進行系統(tǒng)研究，希望建立完整的輕介子譜和重子譜，發(fā)現新型強子并確定其自旋、宇稱及產生和衰變的性質，以徹底理解強子結構，理解強耦合非微擾機制下的強相互作用，發(fā)展QCD 的理論。

　　發(fā)現四夸克物質Zc(3900)

　　2013 年3 月，BESⅢ實驗國際合作組宣布發(fā)現了一個新的共振結構Zc（3900）。其中含有一對正反粲夸克且?guī)в泻碗娮酉嗤蛳喾吹碾姾?。這一發(fā)現提示該物質至少含有四個夸克，極有可能是科學家長期尋找的介子分子態(tài)或四夸克態(tài)。

　　Zc（3900）的發(fā)現引發(fā)了實驗和理論研究的熱潮，并提出了一系列亟待回答的問題，國際物理學界高度評價這個發(fā)現。《自然》（Nature）發(fā)表了題為《夸克四重奏開啟物質世界新視野》的文章，強調“找到一個四夸克構成的粒子將意味著宇宙中存在奇特態(tài)物質”?！段锢碓u論快報》（Physical Review Letters）發(fā)表題為《新粒子暗示存在四夸克物質》的評論，指出“如果四夸克解釋得到確認，粒子家族中就要加入新的成員，我們對夸克物質的研究就需要擴展到新的領域?！痹摮晒幻绹锢韺W會《物理》（Physics）評為2013 年國際物理領域11 項重要成果之首。

　　BEPC 是我國加速器技術發(fā)展的基石

　　BEPC 的建設使我們在國際合作的框架下很快掌握了加速器的一些關鍵技術，從物理設計與加速器模擬，到磁鐵、真空、微波、電源、精密機械、準直測量等。這些技術也擴散到國內相關單位，使我國的加速器技術和研制能力得到很大提高，并進入了一個快速發(fā)展時期，北京同步輻射裝置、蘭州重離子加速器、合肥同步輻射加速器等大型加速器相繼建成。特別是北京同步輻射裝置的建成，為我國的材料科學、凝聚態(tài)物理，還有化學、生物、環(huán)境、地質等各方面的研究提供了必不可少的實驗和技術手段，大大提升了相關領域的科學研究水平。

　　1990 年代后期，高能所又開展了新光源的設計與預研，后來發(fā)展成為上海光源。高能所的隊伍在上海領導開展了這個光源的設計與預研，一部分骨干最后留在了上海。21 世紀初，散裂中子源的建造開始提上議事日程，經過十多年的努力，今年成功完成建設任務。

　　近年來，高能所還完成了用于驅動核反應堆的強流質子加速器的注入器，性能指標已達到10mA@10MeV的世界最好水平。新設計的高能同步輻射光源（High Energy Photon Source，HEPS）即將開始建設，其發(fā)射度指標是世界最好的，從而能達到更高的亮度，表明我國加速器技術已經走上國際前列。

　　BEPC 是我國高新產業(yè)技術發(fā)展的助推器

CEPC布局設計圖

　　高能物理研究與其他研究相比，還有一個非常特殊的地位，它所使用的實驗設備一般都很龐大與先進，涉及非常廣泛與復雜的技術，如機械、電子、微波、超導、低溫、束流測量、計算機與控制、粒子探測與電子學等。通過需求牽引，可以大大推動這些工業(yè)部門的技術進步，對國家科學研究實力和工業(yè)水平的提高有巨大的推動作用，尤其是對于像中國這樣的有一定基礎、但還沒有達到國際頂尖水平的國家。特別是建造世界領先的加速器，其帶動作用是不可估量的。

　　具體到BEPC 和BEPC Ⅱ的建造，帶動了大功率速調管、加速管、超導射頻、高性能磁鐵、精密機械、高穩(wěn)定電源、超高真空、超導磁鐵、大規(guī)模低溫系統(tǒng)、束流測量、計算機自動控制、核探測器、快電子學、高速數據獲取和數據密集型計算等高新技術的發(fā)展。比如在1980 年代BEPC 建設期間，高功率速調管的研制就對我國的廣播通訊事業(yè)起了極大的推動作用。21 世紀初，BES Ⅲ的高精度機械加工需求極大地推動了成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司的技術能力，為我國的航空事業(yè)發(fā)展做出了重要貢獻。通過國際合作，一些禁運的設備和技術得以進入國內，高能所建設了國內當時最先進的計算機網絡系統(tǒng)，引進了互聯網、萬維網和網格計算，是國內首個電子郵件（email）和WWW 網頁的發(fā)源地。

　　應用BEPC 和BEPC Ⅱ發(fā)展的加速器和探測器技術，高能所還開發(fā)了一系列高技術產業(yè)，如醫(yī)用加速器、輻照加速器、工業(yè)CT、正電子發(fā)射斷層成像和低溫超導除鐵器與核磁共振成像的超導磁體等，推進了高新技術在國內的輻射和產業(yè)化。

　　北京正負電子對撞機向社會開放，建成以來接待數百批、幾萬人次參觀，成為向社會乃至世界宣傳中國改革開放和高科技發(fā)展的窗口。

　　從BEPC 到CEPC，中國高能物理面臨的重大機遇

　　2012 年7 月歐洲核子中心（CERN） 宣布發(fā)現希格斯粒子后，中國科學家提出建造能量為~240 GeV 的高能環(huán)形正負電子對撞機（Circular Elect ron Positron Collider，CEPC） 設想，作為北京正負電子對撞機以后的下一代中國高能加速器。

　　CEPC 瞄準高能物理的前沿——希格斯粒子，通過對其的精確測量，深入研究標準模型并尋找新物理。一旦建成，中國將成為全球高能物理研究的中心，將吸引全世界最優(yōu)秀的一批科學家和工程師來華工作，建設一個世界級的科學中心，同時作為龍頭帶動一系列核心技術的發(fā)展。

　　繼希格斯粒子被發(fā)現以后，國際高能物理界普遍認為對它的深入研究極為重要和迫切，是探索超出標準模型新物理的最好窗口。為此，日本科學家在積極推進建造他們主導的國際直線加速器（International Linear Collider，ILC），歐洲在計劃建造未來環(huán)形對撞機（Future Circular Collider，FCC）。希格斯粒子解釋了基本粒子質量起源這一深刻問題，但也具有一些我們前所未見的特性。比如它是唯一的自旋為0 的基本粒子；參與非規(guī)范的相互作用（其他基本粒子只有規(guī)范相互作用）；是其他基本粒子質量的起源，但其自身的質量來源我們不知道等。同時，希格斯粒子和其自身的相互作用對宇宙早期的演化具有重要影響，可以為我們解釋宇宙中的反物質丟失之謎提供極其有用的線索。我們也知道標準模型不是終極理論，目前已有一些實驗和問題不能在標準模型內得到解釋。但這些問題，如真空的亞穩(wěn)態(tài)，基本粒子質量相差太大，希格斯粒子質量的自然性等，均和希格斯粒子有關。研究希格斯粒子，是通向更深層次物理的鑰匙，是粒子物理研究不可跨越的一步。

　　CEPC 也將是世界唯一的超高能同步輻射光源，光子能量可達20 MeV，通量極高，在核物理、材料、微加工、大型部件檢測等許多方面可以有大量應用。

　　CEPC 的很多關鍵技術是未來加速器技術發(fā)展的必然趨勢。如大功率超導高頻加速技術、高效率微波功率源和大型制冷機等應可以取代進口，破解國外禁運；還有超導磁體及超導線、低溫、精密機械、真空、電子、抗輻照芯片、自動控制、計算機等具有戰(zhàn)略意義的前沿技術可以實現國際領先。這些技術研發(fā)與成果轉化，可以推動相關領域的“跨越式”進步，打造一批國際領軍科技企業(yè)，極大地提升國家的科技創(chuàng)新能力和國際競爭實力，提高中國在國際社會中的領導地位。CEPC 自身是個大型的、世界一流的科學研究和技術發(fā)展人才聚集地和培養(yǎng)基地，將促進地方的社會與經濟發(fā)展，促成新的多學科大型研究平臺，并將聚焦世界目光，提高中國的國際威望，加強話語權與軟實力。

　　中國高能物理學目前走到了一個關鍵時刻，此前我們是追趕者，快步追趕歐洲和美國物理學發(fā)展的腳步，目前已經到了可以并駕齊驅的水平。而下一代高能粒子對撞機CEPC，則給了中國占據世界物理學研究最前沿，成為領跑者的好機會。但是，這一項目仍舊與當年決策建造BEPC 時一樣，面臨著資金、技術、人才上的質疑。

　　我們已有30 多年正負電子對撞機的經驗，關鍵技術有很好的基礎。雖然還需要努力，但以我們的能力及人員隊伍，我們有十分的把握能完成任務。

　　在人才方面，我國高能物理學界目前擁有約1000 名研究人員，其中有相當數量的青年人才。這個規(guī)模略低于美、日、歐，處于世界第四的位置。這支隊伍獲得過一系列國際領先的重要成果，并在大型強子對撞機（LHC）的國際合作中發(fā)揮著顯著作用。與此同時，CEPC 項目的預研已經吸引了大批頂級的國際專家進行合作?？梢灶A見，一旦CEPC 項目正式立項，我們將通過自主培養(yǎng)和國際合作方式，吸引大批優(yōu)秀人才。

　　所幸的是，參與CEPC 項目的一批科學家、工程師百折不撓，在質疑與爭議聲中，堅持推進項目的設計和預研工作, 在加速器物理、超導加速腔、高效速調管、束流測量、直線加速器關鍵技術、探測器關鍵技術等方面均取得了卓有成效的進展。今年6 月，CEPC 加速器概念設計報告通過國際評審，評審委員會肯定了CEPC設計工作令人矚目的進展，認為概念設計工作已經證明項目的基本可行性，下一步可以進入技術設計報告階段。

　　與此同時，CEPC 正在日益成為一個國際化的大科學項目，為國際學術界所矚目。國際未來加速器委員會曾于2014 年兩次發(fā)表聲明：“支持能量前沿環(huán)形對撞機研究并鼓勵全球的協(xié)調”，“繼續(xù)鼓勵國際環(huán)形對撞機的研究”。亞洲未來加速器委員會和亞洲高能物理委員會也曾于2016 年明確表示：“我們鼓勵中國領導的這個方向”。目前，高能所已與20 多個國家的科研機構或大學簽署了合作意向書, 并采取了多項措施深化國際合作，包括成立國際顧問委員會，組織國際化的工作小組，邀請知名專家來華開展合作研究等。

　　中國的高能物理能發(fā)展到今天，與BEPC 的建設是分不開的。從高能物理實驗的空白，到建成自己的高能物理實驗基地，以優(yōu)異的成果在國際高能物理研究領域占據一席之地；從學習、吸收國外先進技術，參照外國圖紙設計、加工加速器部件，到大膽地采用既能實現高亮度雙環(huán)交叉對撞技術又能兼顧同步輻射應用的創(chuàng)新方案，到提出國際領先的高能環(huán)形正負電子對撞機；從國際合作中的" 小學生"，到組織以我為主的大型國際合作研究，在τ —粲物理和中微子領域居于國際領先地位......

　　砥礪前行30 載，而今邁步從頭越。在BEPC 建成30 年之際，回顧我國高能物理事業(yè)走過的艱辛曲折和令人欣喜的歷程，回顧依托BEPC、BEPCⅡ所取得的令世界矚目的重大成果，是為了從中得到啟示，在未來繼續(xù)努力。我們要繼續(xù)推動環(huán)形對撞機及其他重大科技基礎設施的研制和建造，為人類認識物質世界，為建設科技強國、實現中華民族的偉大復興做出貢獻。

　　（本文原載于《科學》2018年第5期）