北京正负电子对撞机重大改造工程和BESIII物理成果

陈和生 张闯 李卫国

高能物理是研究物质结构的最小单元构成及其相互作用规律的前沿学科，并在宇宙起源和进化、天体形成和演化等许多领域的研究中起着十分重要的作用。20世纪50年代以来，粒子物理实验一直是国际基础科学研究的最前沿和知识创新的热点之一。

在我国建设高能物理实验基地，是几代科学家多年的梦想。1956年制订的我国科学发展十二年远景规划中就提出“制造适当的高能加速器”的构想。从20世纪50年代末到了60年代初，国家投资1亿多元，参加当时社会主义国家共同在苏联建立的杜布纳联合核子研究所，中国科学家在那里进行高能物理研究，取得了反西格玛负超子的发现等一系列重要成果。国家还选派了一批青年科学家，到苏联学习高能加速器物理与技术，曾提出1～2 GeV电子同步加速器的设计。随后，科学家先后又提出450 MeV强流中能回旋加速器、3.2～6 GeV质子同步加速器、强流超导直线加速器和50 GeV质子同步加速器等方案，由于种种原因，都未能付诸实施。

改革开放迎来了科学的春天，遵照邓小平同志的指示，在广泛听取国内外有关专家的意见，进行充分论证的基础上，中国科学院提出了在北京建造2×2.2 GeV正负电子对撞机的方案，得到了国家的批准。中国高能物理事业从此走上了快速发展的道路。

1 北京正负电子对撞机

北京正负电子对撞机于1984年10月破土动工，1988年10月建成对撞成功，BEPC投入运行后，对撞机的亮度迅速达到设计指标，在1.89 GeV时亮度为1×1031cm-2s-1，成为在τ-粲能区性能居国际领先地位的高能物理实验装置。

北京正负电子对撞机由五大部分构成：注入器、束流输运线、储存环，北京谱仪（BES）和同步辐射装置（BSRF）。

BEPC的成功建设和高效运行，为取得物理成果创造了条件。自20世纪90年代以来，北京谱仪合作组在对撞机上获得了τ轻子质量精确测量、R值精确测量和X（1835）等新粒子的发现等一批重要成果，在国际权威的粒子数据表有400多项数据是北京谱仪合作组在对撞机上测定的，高能物理研究所也跻身于世界主要的高能加速器实验中心之列。BEPC一机两用，既是一座国际先进的高能物理实验装置，又是一台高性能的同步辐射光源。北京同步辐射装置（BSRF）作为我国众多学科的大型公共实验平台，每年向来自全国数百个研究所和高等院校用户开放，取得了包括若干重要蛋白质结构测定在内的许多重要结果。

BEPC/BES在τ-粲物理实验研究中取得的成就，引发了国际高能物理界对τ-粲物理的极大兴趣，十分重视这一能区的丰富的物理“矿藏”。2001年初，美国康奈尔大学决定将其一台工作在质心能量10 GeV左右的正负电子对撞机CESR，调整至3～5 GeV工作（称作CESRc），到粲物理研究领域与BEPC竞争。该对撞机在此能区的亮度设计指标是3×1032cm-2s-1，计划在2003年底开始运行。当时我们提出对BEPC进行改造的单环麻花轨道多束团对撞方案，设计亮度与CESRC相当，而在时间上至少晚2～3年。如果不采取有力对策，我们在激烈的国际竞争将处于劣势，难以做出国际领先的创新性研究工作，我国高能物理将可能失去在世界上已有的一席之地。为了继续保持我国在粲物理领域实验研究的国际领先地位，科学家经过详细地分析和研究，发现有可能在现有的储存环隧道内建造一台双储存环的对撞机。在双环方案中，正负电子束流在两个彼此独立的储存环中积累，在南对撞点处对撞，因而每个环中束流的束团数目可以更多，从而使理论计算的亮度大幅度提高，为单环方案的3倍以上，达到1×1033cm-2s-1。而且双环方案能灵活地进行参量的调整和优化，不仅可以达到更高的亮度，而且也避免了单环方案中的“麻花”轨道引起的一系列问题，技术风险相对较小，有利于在建成后比较短的时间内达到设计亮度，在与CESRC的竞争中取得领先。经过对BEPCII的单环方案和双环方案进行深入的讨论和比较，我们决定采用双环方案，在1.89 GeV下的设计亮度为1×1033cm-2s-1，与CESRC相比具有明显的优势。

2 BEPCII的科学目标和工程概述

BEPCII的建设目标是对BEPC进行重大改造，其主要任务是在对撞机现有隧道内建造国际上先进的双环对撞机，在质心系能量3.77 GeV时达到1×1033cm-2s-1的设计目标；与BEPCII高计数率运行的要求相配合，建造新北京谱仪BESIII，大幅度提高测量精度，减少系统误差。BEPCII要在τ-粲能区进行精确测量，同时探索新的物理现象，为我国在今后相当长的时期内保持粲物理研究的国际领先地位，取得原始创新性物理成果奠定基础。BEPCII投入运行后，能获取比BEPC已有的J/ψ，ψ（3686）和ψ（3770）等事例高两个量级的数据，在τ-粲物理前沿课题取得一系列具有世界领先水平的重大物理成果。根据国际高能物理的最新发展，BEPCII确定了以下的主要科学目标。

（1）寻找胶子球，夸克-胶子混杂态和多夸克态等新型强子；胶子球和夸克-胶子混杂态和多夸克态是量子色动力学预言的新的物质形态，对量子色动力学的发展具有重大意义。

（2）寻找1P1和η′c；它们是粲夸克偶素家族中尚未发现的重要成员；精确测量C-K-M矩阵元；直接测量Vcs和Vcd，精度分别提高到1.6%和1.8%左右。对D衰变绝对分支比测量，结合B工厂测量，可将Vcb的测量精度提高到3%左右。

（3）研究粲夸克偶素谱及其衰变性质，研究轻强子谱；

（4）精确测量2～4.6 GeV能区强子的R值，将精度进一步提高到小于3%；这对精确检验电弱统一理论，精细结构常数的计算，g-2实验等，具有重要意义；

（5）D和DS物理研究，包括衰变性质，衰变常数fD和fDs的测定等；

（6）利用粲夸克偶素衰变研究重子激发态；

（7）τ轻子物理：包括大幅度提高τ轻子质量的测量精度和降低τ中微子质量的上限，研究τ轻子的衰变性质及其带电流的洛伦兹结构等；

（8）寻找τ轻子和粲夸克偶素衰变中的CP破坏；

（9）寻找混合和CP破坏等。

与BEPC相同，BEPCII仍保持一机两用，其高流强的优势有助于在兼用和专用模式下为用户提供高通强和高亮度的同步辐射光。

BEPCII采用世界上最先进的加速器技术，探测器技术和计算机网络技术，具有极大的挑战性，也可有力地带动我国相关高技术的发展。

正负电子束流从直线加速器从西、东两侧分别注入到各自的储存环中，内外环在南北两个相互作用点交叉，在南面的相互作用点以2×11 mrad的水平夹角对撞，北京谱仪BESIII安装在对撞区，开展高能物理实验。在储存环外侧安装了15条光束线和实验站。在高能物理实验的同时，利用电子束在偏转磁铁和插入元件中偏转时发出的同步辐射光以兼用的方式开展实验；而对于专用的同步辐射运行，则采用南对撞区超导插入磁铁中的一组水平偏转绕组，将电子束从东外环偏转到西外环（“内桥”），而在北区设计了连接真空管道（“外桥”），实现电子束在外环回旋的同步辐射环，从而使同步光通过安装在外环切线方向的光束线进入试验站，在专用模式下开展实验研究。

3 加速器

BEPCII加速器改造的目标是将表征对撞机性能主要指标的亮度在BEPC的基础上提高两个数量级。BEPC属于通常的对撞机一类，对撞机亮度在1032～1033cm-2s-1之间，正负电子在对撞时可以产生更大量粒子，故称为“粒子工厂”。正在建造中超级粒子工厂——Super-KEKB，亮度为8×1035cm-2s-1。世界上有3个粒子工厂，即意大利的Φ粒子工厂DAΦNE和美国与日本的B介子工厂PEP-II与KEKB。在τ-粲能区，CESRC投入运行后，一度成为亮度最高的对撞机，而BEPCII的建成和成功运行，又夺回了这一亮度制高点。

正负电子束流对撞的亮度表示为

式中，r＝σ*y/ σ*x为对撞点处束团截面的形状因子，即垂直与水平方向尺寸的比值；E为束流能量，ξy为垂直方向束-束作用参量，βy*为对撞点处垂直方向的包络函数值，kb为每一束流中束团的数目，而Ib为每一束团的流强。在能量确定和束团的流强受限于束-束作用参量ξy的情况下，提高亮度有效的方法是增加束团数目和减小对撞点处的包络函数值。BEPCII采用双环结构增加对撞束团数，并采用超导磁铁压缩对撞点包络函数，能大幅度提高对撞亮度。

双环方案对于提高对撞亮度提供了有利的条件，同时也给加速器物理和技术上带来一系列的挑战。

（1）BEPC隧道是按单个储存环的方案设计的，对于安装双环空间偏小，这是对加速器布局和对撞区设计与建造的挑战，也给隧道设备安装造成困难。

（2）储存环的高流强要求高性能的注入器，要在1.55～1.89 GeV的能区实现全能量注入，正电子注入速率须达到50 mA min-1以上，约为BEPC正电子注入速率的10倍以上。

（3）BEPCII采用双环多束团对撞，设计流强接近1 A，比BEPC提高约一个数量级，对真空部件、束测元件等提出了苛刻的要求，必须尽量降低其耦合阻抗，抑制束团拉伸、耦合束团不稳定性和可能的高次模发热等集体效应，并采用逐束团反馈等。

（4）BEPCII的高亮度要求采用超导高频和超导磁铁以及低温等先进技术，在这方面我们缺少技术储备。

（5）为了满足日益增长的同步辐射用户的需求，BEPCII继续采用“一机两用”的设计原则，这给储存环设计造成许多限制，给真空系统带来很多难题，也对运行提出了更高的要求。

（6）BEPCII对撞束流能量范围为1～2.3 GeV，要求在很宽能量的范围达到高亮度，这给加速器物理设计、调束运行和包括高频微波、磁铁、电源、真空、束流测量、自动控制、低温和超导、辐射防护、精密机械和准直安装技术等硬件设备研制提出了挑战。

面对这些挑战，在BEPCII在总体上和各个系统中采用了一系列的创新性设计和技术，在较短的周长、拥挤的对撞区和窄小的隧道里实施了双环方案，并采用“内外桥”联接两个正负电子外半环形成同步辐射环和大交叉角正负电子双环的“三环方案”，兼顾了高能物理与同步辐射应用，满足了“一机两用”的要求。

3.1 注入器改造

BEPCII对作为BEPCII储存环注入器的直线加速器提出了两方面的要求：要求正电子注入能量Einj≥1.89 GeV；正电子注入速率≥50 mA min-1，即为BEPC运行值的10倍以上。

为了实现E＝1.89 GeV的正电子全能量注入，需采用45～50 MW的大功率速调管取代BEPC注入器的30 MW速调管，同时对其调制器进行改造，并研制改进型大功率波导阀门、大功率负载和定向耦合器等。为了将正电子从BEPC的流强提高10倍以上，需要研制新的电子枪，提高打靶电子束流强，提高束团脉冲频率，提高打靶电子能量和研制新的正电子源等。

安装在隧道里总长为202 m的直线加速器，近端是正电子靶和聚焦螺线管磁铁。正电子源采用具有大俘获效率的磁号和直流强磁场的创新技术路线和独特的凸轮靶驱动装置，新增束斑监测器，优化打靶初级电子束尺寸，满足了高正电子产额的设计要求。经过精心的研究和调试，直线注入器的各项性能均达到了设计指标，并在实际运行中继续提高，满足了BEPCII工作的要求。

3.2 储存环

3.2.1 概述

储存环是BEPCII加速器的主体，正负电子束流在储存环中积累、储存并对撞，提供高能物理和同步辐射实验。BEPCII储存环由三个环组成，即负电子环（BER）、正电子环（BPR）和同步辐射环（BSR）。

为了达到BEPCII高亮度的目标，要求在储存环中稳定地积累并存储1 A量级的高流强，实现微包络函数对撞，采用插入到北京谱仪中的超导磁铁，把对撞点的垂直包络函数值压缩到1.5 cm，采用超导射频腔束压缩束团长度，同时尽量降低阻抗以抑制束团拉伸和耦合束团不稳定性。这些都对真空部件和束测元件等的提出了严格的要求。BEPCII的一机两用和兼用模式运行，也给储存环提出了诸多限制。与B工厂和 Φ 工厂在固定能量下运行的情况不同，BEPCII设计对撞束流能量范围为1～2.1 GeV，后又根据物理实验的要求，提高到2.3 GeV，如此宽的工作能量范围宽，对加速器物理和设备提出了一系列挑战。

束团微波不稳定性将引起束团长度的拉伸，在不稳定性的阈值以上，高斯分布的束团长度σz表示为

式中，R为储存环的平均半径，αp为动量压缩因子，Ib为束团流强，ωs为纵向振荡的圆频率，|Z/n|eff为有效宽带阻抗。

从式（2）中可见，在阈值以上时，束团长度随流强和阻抗的1/3次方增长。BEPCII设计的|Z/n|eff值为0.23 Ω，在设计的束团流强Ib＝9.8 mA时，不会发生微波不稳定性。在储存环建造中，通过对真空盒部件严格的控制，减小了耦合阻抗，使束团拉伸得到了有效的抑制，测量表明，在设计流强下，束长可以控制在1.5 cm以下。在多束团高流强下，采用横向和纵向反馈系统，有效地抑制了电阻壁效应、离子效应和横向与纵向振荡等耦合束团不稳定性。正电子环中采用束流管道内壁镀氮化钛的带前室真空盒，有效地降低电子云的密度，避免了束团横向尺寸的增长。在对撞亮度方面，开展了束-束模拟研究，通过束流光学的优化、闭轨校正和对撞点参量与横向耦合的优化等，成功地实现在半整数附近工作点的运行，束-束相互作用因子逐步接近和达到设计值0.04，使亮度在运行中逐步提高。关于调束与运行的具体情况，将在3.3节中讨论。

3.2.2 射频系统

在储存环中，射频系统的主要功能是对正负电子束流进行同步的加速，补偿同步辐射以及高次模效应等引起的束流能量损失，使束流在平衡轨道上稳定地储存，并有效地压缩束团长度。BEPC储存环采用的是200 MHz常温射频系统，腔的射频电压、功率和高次模损失等参量均不能满足BEPCII的要求。根据BEPCII射频系统高腔压和高流强的特点，决定采用超导高频腔的方案。射频系统的建设内容主要包括：在正、负电子环中各安装一台500 MHz超导高频腔，每台腔至少提供1.5 MV的加速电压和123 kW的束流功率；在原有的两个射频功率源大厅各安装一台速调管发射机及其相应的大功率环流器、负载和波导馈送系统等，为每台超导高频腔提供250 kW的射频功率；为射频腔及其功率源研制低电平控制系统。测试表明，两台射频腔在2 MV时的品质因数Q值分别达到5.4×108和9.6×108，优于设计值5×108。

3.2.3 磁铁系统

BEPCII需要在原BEPC的隧道内建造两个储存环。在磁铁系统中，除了要增加一个新环的磁铁外，还需要对部分老磁铁进行改造。不同于BEPC磁铁采用的低电压、大电流的设计原则，针对隧道空间狭窄的特点，BEPCII储存环新的四极和六极磁铁采用了高电压、小电流的设计思想，同时要求所有位于内、外环上的新磁铁能够分别满足2.1 GeV（对撞运行）和2.5 GeV（同步辐射运行）的能量要求。磁铁系统的主要建设内容包括：重新设计和研制48台偏转磁铁89台四极磁铁、4台斜四极磁铁、72台六极磁铁、60台二极校正磁铁；改造BEPC储存环的28台四极磁铁和4台斜四极磁铁的线圈；设计和加工新的磁铁支架，使其满足振动、变形及隧道安装和调整要求；对所有磁铁进行支架上的预准直和隧道内的准直。对于所有的新磁铁和改造磁铁，都进行了细致的磁场测量和垫补，磁场质量均达到物理要求，并在对撞机的运行中验证了其高精度和高稳定性。

3.2.4 电源系统

BEPCII的双环方案使为磁铁供电的高精度稳流电源的数量增加了1倍以上，包括4台偏转磁铁电源、129台四极磁铁电源、36台六极磁铁电源、144台二极校正磁铁电源、14台对撞区特种磁铁电源和16台超导磁铁电源。为了减少电源所需占用的空间，电源系统采用各种类型的开关型电源，其中四极和六极磁铁在国内加速器上首次采用了斩波电源。开关电源的使用，对电磁兼容的设计提出了很高的要求。此外，还研制并装备了超导磁铁失超保护系统、常温磁铁线圈温度保护系统、对撞区特种磁铁线圈温度快速保护系统、在线电流稳定度测试系统，确保了磁铁和电源系统的安全和稳定运行。

3.2.5 束流注入系统

BEPCII正、负电子环各有一套注入系统，每套系统由2台冲击磁铁及其高压脉冲电源和1台铁切割磁铁及其直流电源组成，其中铁切割磁铁利用BEPC原有的设备。束流注入要求冲击磁铁在百纳秒级的短时间内上升和下降，为了避免磁场快速变化在金属真空盒上引起的涡流效应，通常把磁铁的导流板安装在真空盒内，或采用陶瓷等绝缘材料制作的真空盒。BEPCII的冲击磁铁磁场波形为底宽600 ns的半正弦波，安放在真空室内，这就对束流耦合阻抗和磁场均匀性都提出了很高的要求。国际上采用的两种冲击磁铁方案，即内壁镀金属膜的陶瓷真空盒加铁氧体磁轭的方案和开槽管（Slotted-Pipe）方案，都不能满足BEPCII的要求。为此，提出了用内壁镀金属膜的陶瓷板的创新性方案，解决了减小束流耦合阻抗和提高磁场均匀性的矛盾。在垂直位置Y＝0, 5和10 mm时的场均匀度分别为±0.59%，±0.87%和±3.21%，优于±1%，±2%和5%的要求。

3.2.6 真空系统

BEPCII储存环对真空系统提出了两个方面的挑战：一是在安培级大流强下保持超高真空度，即在能量1.89 GeV和流强0.91 A时，弧区的动态真空度优于5×10-9Torr，而在对撞区±14 m的范围内优于1×10-9Torr；二是低耦合阻抗的要求，以便有效地控制束团长度，实现微包络函数对撞。真空系统包含80根前室真空盒，120根直线段真空盒，152个RF屏蔽波纹管，175个光子吸收器，2个活动挡块和16个固定挡块，以及真空获取和测量系统，包括离子泵、吸气剂泵、钛升华泵、真空阀门、热阴极真空计、冷阴极真空计、残余气体分析仪等。应对高流强、低耦合阻抗的挑战，我们在正、负电子环弧区采用铝合金带有前室的真空盒结构，同步辐射光从束流通道射入到真空盒的前室，并由那里的铜吸收器来吸收同步辐射光子，并在铜吸收器的附近安装大抽速的真空泵；正电子真空盒内表面镀以氮化钛薄层，以减小二次电子倍增系数，抑制电子云不稳定性。为了减小束流阻抗，所有的真空盒部件必须做到尽可能光滑，对于各种真空部件都在研究和计算的基础上仔细进行设计和制造，从而将耦合阻抗控制在预算的限度内。

3.2.7 对撞区系统

BEPC已有隧道对撞区的长度约为±14 m，远小于国际上B工厂的±40 m，如何在这样短的距离使分别在两个环内回旋的正负电子束团交叉对撞，然后迅速将正负电子束团分开进入各自的储存环，是BEPCII工程中的又一挑战。BEPCII在采取大交叉角对撞的同时，提出了超导插入磁体、常温切割型磁铁、窄四极磁铁和双孔径四极磁铁对撞区创新性方案，在很短的距离内实现正负电子束流的分离和高流强六维束流精确对撞。BEPCII对撞区安装了多种特殊磁铁，包括2台超导插入磁铁，2台切割型弯转磁铁，4台双孔径四极磁铁，8台窄型四极磁铁，12台对撞区二极校正磁铁，以及对撞区特殊的真空盒。中国科学院高能物理研究所研制成功了常温二合一结构的切割型双孔径四极磁铁，利用谐波垫补法有效降低因其结构引发的高阶磁场，解决了使用高电流密度引起的线圈水冷和过热保护等一系列问题，并与美国BNL实验室联合设计研制了世界上最复杂的紧凑型对撞区超导插入磁体，深入到探测器的内部接近对撞点仅0.6 m的位置，解决了微包络聚焦和谱仪螺线管场的补偿问题。

3.2.8 束流测量系统

束流测量系统由各种束流探头、信号处理电子学、计算机及控制网络等部分组成，提供精确、充分的束流和加速器的参数信息，用于提高注入效率、优化束流光学参量和监控束流行为等，进而提高束流性能和对撞亮度。BEPCII的大流强、多束团对束流测量系统提出了更高的要求，需要快速精确地监测束流状态，精确测量和控制每个束团的流强、闭轨，并抑制束流不稳定性等，特别是对撞区束流轨道的测量尤为重要，需要准确地了解束团在对撞点的位置和夹角。针对这些特点和要求，BEPCII束流测量系统中增加了许多不同于BEPC的子系统，如对撞点束流位置反馈系统、多束团流强测量系统以及束流逐束团反馈系统等。而BEPC所使用的常规束流测量手段仍用于BEPCII，包括测量束流平均流强用的直流束流变压器、工作点测量用条型电极和同步光传输光路结构等。BEPCII的束测系统包括134个束流位置测量探头（BPM）及其信号处理电子学和每环各一套的流强测量、束团流强测量、工作点测量、束流损失测量、同步光束流监测系统和横向与纵向束流反馈等子系统。其中，逐束团流强测量系统和横向束流反馈系统是国内首次研制，在高流强运行中发挥了重要作用。

3.2.9 控制系统

BEPCII控制系统的任务是，在中央控制室随时掌握加速器的各种运行信息，通过人机接口装置操纵磁铁电源、高频、真空、注入、束测、低温和安全等系统设备，按照设计要求进行实时控制，实现正负电子束流的产生、输运、注入、加速和调整等。这要求控制系统具有高可靠性和实时响应速度，并提供友好的人机操作界面及信息综合处理的能力。BEPCII控制系统应对分布在注入器、储存环和输运线上的1900余台各种设备进行测量和控制，系统中有20000个硬件通道，具有对各设备的监测控制、加速器调束与运行的操控、友好的人机操作界面、以数据库为核心的信息管理、设备及人身的安全联锁保护、定时同步触发和计算机局域网络通讯等功能。BEPCII控制系统采用先进的实验物理与工业控制系统（EPICS）的体系结构，实现了与国际加速器控制系统的接轨。

3.2.10 低温系统

BEPCII装备了三组低温超导设备，即2台射频超导腔、2台超导插入四极磁体和1台北京谱议BESIII超导螺线管磁体。BEPCII低温系统的主要任务是为这三组低温设备产生冷量（压缩机、制冷机）、分配冷量（阀箱、传输管线）、储备冷量（杜瓦、过冷器、热交换器），为设备提供低温环境。低温系统的运行模式主要包括：预冷、制冷、液化、稳定运行模式、复温模式及各种安全保护，各运行模式的选择及控制信号、状态信号的监测由不同功能的PLC控制模块，VME 机箱及工控机完成。这是我国首次在大型加速器上装备的低温系统。

3.3 调束与运行

3.3.1 概述

BEPCII于2004年1月开工建设，2004年底完成直线加速器设备安装和调束。为了满足同步辐射用户的迫切需求，BEPCII工程尽可能减少停机时间，在改造过程中插入同步辐射专用模式运行。2005年7月4日，在完成最后一轮同步辐射用户实验后，开始储存环拆旧安新。2006年3月2日，储存环开始设备安装，9月储存环隧道主体设备安装完毕，开始系统间的联合调试。当时，对撞区超导磁铁的控制杜瓦和阀箱正在进行改造，为尽早向同步辐射用户供光，决定采用对撞区常规磁铁的备用方案，在2006年秋开始调束。这样，BEPCII的调束分为三个阶段：第一阶段是基于对撞区常规磁铁方案的调束；第二阶段为基于对撞区超导磁铁，即建成的加速器的调束；第三阶段则是加速器与谱仪（BESIII）联合调束与调试。每一个阶段调束中，都要对正、负电子环和同步环三个环进行束流调试和性能优化，且都要实施“一机两用”，即同步辐射模式供光运行和高亮度对撞。2009年5月13日，BEPCII亮度达到3×1032cm-2s-1的验收指标，即设计指标的下端。7月17日，BEPCII通过国家发展和改革委员会组织的工程验收，正式投入运行。

BEPCII投入运行以来，在高质量满足高能物理取数和同步辐射用户实验的同时，不断提高性能，在1.89 GeV最高峰值亮度达到7.08×1032cm-2s-1，为改造前BEPC同能量下峰值亮度的70倍。在运行中的最高日积分亮度也达29.35 pb-1，为BEPC时最高日积分亮度的80多倍。在2012年4—5月进行J/ψ实验取数，峰值亮度达2.92×1032cm-2s-1，为BEPC在该能量下的60倍，在45天内获取了10.8亿J/ψ事例，与BEPC两个最好的运行年度获取5800万J/ψ事例相比，取数速率提高了124倍。

基于这些高质量的大统计量数据，BESIII国际合作组在轻强子谱的研究、粲偶素的衰变等方面取得了重大的物理成果。BEPCII将在运行中继续提高性能，朝着更高的亮度迈进。下面讨论调束和运行相关的若干物理问题。

3.3.2 束流光学校正

储存环上各磁铁、电源和安装准直误差等都会引起实际的束流光学参数与理论设置值的差异，导致束流参量，如发射度、色品、耦合系数、对撞点截面尺寸等，发生较大偏差，从而影响束流性能和对撞亮度。BEPCII在水平工作点半整数附近工作，这些误差将会直接造成束流的丢失。因此，束流全环光学参数的校正，是储存环设计模式实现的体现，也是束流稳定运行及对撞亮度提高的基础。BEPCII储存环束流参数校正基于轨道响应矩阵的方法，采用LOCO程序进行。

式中，Mmod，ij和Mmeas，ij分别为第i个BPM与第j个闭轨校正磁铁之间的理论模型和实际测量的响应矩阵，σi为束流位置探头方均根测量误差。通过测量全环响应矩阵，改变聚焦磁铁强度和校正磁铁强度，使||V||最小，即χ2最小化，得到全环各四极磁铁强度和校正磁铁强度的修正值，从而实现束流光学的校正。

3.3.3 束流轨道稳定性与反馈

轨道稳定性是高亮度对撞和高性能供光的重要条件，通常要求在一定时间内水平或垂直方向的轨道峰峰值的变化好于该方向束团均方根尺寸的1/10。在BEPCII中，利用BPM束流轨道进行实时测量和实测的响应矩阵，计算与原轨道的偏差以及校正回原轨道需要的校正磁铁强度，最后对校正磁铁电源实施在线控制，达到抑制轨道慢漂、提高束流轨道及光斑位置稳定性的目标。

3.3.4 束团长度和耦合阻抗

束团长度控制，是实现BEPCII微包络对撞和亮度提高的关键之一。采用条纹相机测量了不同流强下的束团长度。电子环中束团长度随流强变化。在9.8 mA时束长约为1.58 cm，满足βy*＝1.5 cm运行的要求。分析表明，束长拉伸主要是由于势阱畸变效应，而不是微波不稳定性。

根据束长随流强的变化曲线，可以得到耦合阻抗的值L=120 nH和|Z///n|0＝0.96 Ω，约为理论计算值的4倍，分析原因主要是储存环中未计入和新增加的部件的贡献以及计算本身的局限。

3.3.5 多束团对撞和纵向振荡

在第三阶段调束中，采用条纹相机观测到束团长度沿束团串的增长和亮度的下降，且伴有纵向四极振荡。在示波器上的观测证实了这一发现。对比正负电子环的真空部件的异同，发现正电子环上保留的原BEPC的两个荧光靶是最大的怀疑点。计算研究表明，由于荧光靶两端法兰上没有高频屏蔽，在端面法兰间存有约10 mm的缝隙，形成腔型结构，俘获频率约为1.8 GHz的高次模，激起多束团纵向耦合振荡。在拆除荧光靶后，正电子环中束流纵向振荡如预期减弱，与电子环中相当，而相同流强下对撞亮度提高了约50%。

3.3.6 实验本底和噪声的研究

本底和噪声是高能物理实验中的重要问题，也是高亮度对撞机中普遍存在的国际难题。加速器中的束流和电磁场都会对谱仪中的探测器产生作用，引起实验本底和噪声干扰。

在储存环的对撞区和弧区安装了束流活动档板，可以阻挡束团边缘的粒子，避免打到探测器上产生本底。在调束和运行中，通过调整和优化正负电子环活动挡板的位置，结合束流参量的优化，有效地降低了BESIII探测器中的本底，同时减小了束流注入对探测器（特别是量能器的晶体）的损伤，满足了高能物理实验的要求。2010年12月的一次束流本底调试过程的例子，在各种束流条件下通过优化上述一系列参量，使在内层探测器的本底计数降低了约20%。从BESIII探测器推入对撞点后，漂移室在没有加高压的状态下，噪声的触发率很高，特别是在加速器有束流时，径迹触发率有时超过105，使漂移室无法正常工作。为了寻找噪声源、降低漂移室噪声，对探测器和加速器的地线、加速器的电源等进行了全面的检查和测试，并对加速器部件进行了屏蔽。采取这些措施后，漂移室的噪声有了很大的改善，基本上解决了这个问题。但偶而仍有噪声突然增大的情况，需要于噪声源和影响漂移室的途径做更深入的研究。

3.3.7 束-束作用和亮度优化

束-束相互作用是对撞机中特有的重要作用，直接关系到亮度。束-束作用的数值模拟和对撞调试表明，水平工作点靠近半整数可获得更高的亮度。

在同步加速器中，半整数是一条很强的参数共振线，微小的聚焦强度误差，就会激起包络函数值的急剧变化，造成束流丢失和实验本底增大。在调束和运行中，通过对束流光学、闭轨、耦合和对撞点等参量的校正和优化，实现了在水平工作点小数部分δνx≤0.51下的稳定运行，使对撞亮度显著提高。在δνx＝0.51下的亮度比设计值的δνx＝0.53提高约50%。

通过在调束和运行中的一系列研究，BEPCII的对撞亮度稳步提高。

4 探测器

4.1 概述

对撞机上的谱仪采用各种粒子探测器的组合，测量粒子对撞后产生的次级粒子的能量、动量、质量、位置等各种参数，以识别粒子，重建反应过程，研究基本的物理规律。与BEPCII对撞机的高亮度相匹配，新建的北京谱仪BESIII须满足多束团对撞和高计数率取数的要求，并大幅度减小探测器的系统误差。按照BEPCII的科学目标，提出BESIII设计目标为以下几个。

（1）在20 MeV至2.5 GeV的能量范围内，能精确测量光子的能量，具有很高的能量分辨率、位置分辨率和光子鉴别能力。

（2）能精确测量带电粒子的动量与方向，即非常好的动量分辨率、顶点位置分辨率等。

（3）能很好地鉴别区分各种粒子，如光子、电子、µ子、质子、π介子和K介子等。

（4）读出电子学和数据获取系统应适应多束团模式和高数据率取数，并达到要求的测量精度。根据设计上述设计目标，确定BESIII由以下各子探测器的组成。

（1）单丝分辨优于130 µm的小单元氦基气体漂移室作为径迹探测器。

（2）能量分辨率在1 GeV时好于2.5%的碘化铯晶体量能器。

（3）采用时间分辨率优于100 ps的塑料闪烁探测器飞行时间系统作为粒子鉴别探测器。

（4）采用场强为1 T的超导螺线管磁铁，提高粒子动量测量的精度。

（5）采用阻性板探测器µ子室。

（6）采用基于流水线技术的前端电子学以适应多束团和高数据率的数据获取系统和触发系统。

由内到外，谱仪中的探测器依次为主漂移室、飞行时间计数器、电磁量能器、超导磁体和µ子鉴别器。BESIII探测器的总重量为700多t，共有两万多个探测器单元、近4万路读出电子学。BESIII的性能指标可以看出，各子探测器的性能均达到或优于其设计值。

4.2 主漂移室

主漂移室（MDC）是BESIII最内层的探测器，用以测量末态带电粒子的径迹、动量，同时还通过测量能量损失（dE/dx）鉴别带电粒子。漂移室要有大的立体覆盖角，好的空间分辨（130 µm），高的动量分辨（＜0.5%@1 GeV/c）和较好的dE/dx分辨（6%～7%），要求对低动量径迹有高的重建效率。此外漂移室还要能适应BEPCII高亮度带来的高计数率的工作环境。

漂移室采用国际首创的内外室方案，内室无外壁，外室无内壁，在内室受辐照性能下降时可以单独更换内室。漂移室内采用低质量的氦基混合气体和铝场丝，有效减小漂移室内物质量，提高对带电粒子的动量分辨；采用类正方形小漂移单元结构，适合在BEPCⅡ高亮度的条件下工作，可在有限的空间内达到足够的取样次数；采用台阶型的端面板，适应加速器对撞区部件安装的要求，增大接收度。在漂移室中使用60%氦与40%丙烷混合的工作气体，以减小多次散射、提高动量分辨，同时采用小单元结构设计。漂移室共有6796根信号丝及信号读出道。

在漂移室端板的研制中，克服了在一块铝板上钻3万多个孔要求定位误差小于50 µm的难题，满足了物理实验的需求，也大大提高了国内精密机工的水平；完成高精度的漂移室拉丝机和近3万根丝的拉丝；研制成功国内最大的最复杂的漂移室碳纤维筒体，能承担周向2 t TOF探测器的压力和轴向5 t的压力，轴向的最大变形小于50 µm。探测器运行数据分析结果表明，MDC的主要性能优于设计指标。

4.3 飞行时间探测器

飞行时间探测器（TOF）的主要功能是进行粒子鉴别，其能力大小主要由相同动量粒子的飞行时间差和飞行时间探测器的时间分辨率所决定，其中飞行时间探测器的本征时间分辨率是主要因素。飞行时间探测器置于主漂移室和晶体量能器之间，桶部采用双层双端读出，每层由塑料闪烁体BC408在两端直接耦合精细网型抗磁场光电倍增管R5924；端盖采用扇型塑料闪烁体BC404，在小端垂直耦合光电倍增管。TOF桶部的接收度为0.82，端盖接收度从0.85到0.95，基本上覆盖了主漂移室和量能器的接收度。

TOF直接测量的信息包括原始飞行时间和电荷量。为了得到准确的飞行时间信息，还需要对时幅游动、过大信号、粒子在闪烁体上击中位置、光在闪烁体中的传播时间以及电缆的时间延时等因素进行刻度和修正，这些都需要在离线分析中进行。利用BESIII获取的Bhabha事例样本对TOF刻度进行重建检验，对Bhabha事例，重建后的TOF桶部桶部单端、单层和双层时间分辨率分别为152、104和86 ps，优于设计要求。通过改进重建和刻度方法，单层和双层时间分辨率达到89和68 ps。

4.4 电磁量能器

量能器的功能是测量正负电子对撞后产生的次级粒子的能量。由于工作在低能量区，BESIII探测器中设计了电磁量能器（EMC）。BESIII电磁量能器由桶部和端盖两部分组成，共有6240块碘化铯晶体探测单元组成，每块晶体的长度为28 cm，即15个辐射长度，晶体总重量超过24 t。

BESIII的量能器是国内自行设计、制作并安装完成的，也是目前国际上在这一能区高能物理实验探测器中性能最好的晶体电磁量能器之一。BESIII的量能器在国际上首次采用晶体后吊挂的创新方案，使晶体单元紧靠，除必要的反射层外最大地减少晶体之间的非灵敏材料，避免了传统晶体量能器结构产生的“死物质”，提高了能量分辨率，简化了机械结构，大大节约了造价。量能器采用发光二极管-光纤光脉冲系统对每块晶体定期检测，可以跟踪晶体受辐照损伤的变化和是否有硅光二极管与晶体粘接脱落的情况。利用晶体量能器的沉积能量信息和漂移室的动量及位置信息，通过模拟研究，对横动量小于400 MeV的π/µ进行分辨，可达80%的鉴别度，填补了µ子探测器在该横动量下π/µ鉴别的盲区。

4.5 µ子鉴别器

µ子鉴别器的主要功能是测量正负电子湮灭反应末态中的µ子，测量它们的位置和飞行轨迹。BESIII的µ子鉴别器位于探测器的最外层，主要包括µ子探测器和强子吸收体，与内层探测器测量的粒子径迹相连接，可以精确测量µ子的动量，并与其他带电粒子（尤其是π粒子）相区别。

BESIII的µ子鉴别器选用阻性平面板作为探测器。阻性板探测器由两层2 mm厚的平行电极板组成，两块板之间由两毫米厚的绝缘材料做成的圆形垫片分开。两板之间的间隙里通过一定比例的混合气体作为工作气体。当粒子通过气体室时，产生雪崩或流光信号，通过气体室外的读出条引出感应信号。

气体室是µ子鉴别器的关键部件，要求阻性板的阻抗、厚度、间隙以及所喷的石墨层均匀，并对其内表面光洁度有很高的要求。在µ子鉴别器研制过程中，首创了无淋油阻性板探测器技术，解决了国际上长期存在的寿命与噪声问题。

4.6 超导磁体

BESIII的超导磁体系统提供1 T的恒定磁场，供主漂移室测量带电粒子的动量。与BES采用的常规磁铁相比，BESIII超导磁体系统，技术上有所突破，整个系统包括超导线圈、低温恒温器、颈管和阀箱、电源和失超保护装置、真空设备和监控设备等。超导磁体采用线圈内绕和两相氦冷却的技术方案，并采用单层薄壁螺线管设计，减少了对粒子能量的吸收。超导线缆采用纯铝作为稳定基体，有效地提高了液氦与超导线之间的导冷效率，降低热阻和温差。这是一台国内最大内绕式单体超导磁体，磁体直径3 m，长度3.5 m，线圈绕组为单层，共850匝，运行电流3368 A。

BESIII的各子探测器产生的信号，经过相应的电子学系统接收，并做一系列处理，由触发系统进行快速事例选择与控制，在高本底下判选出有用的物理事例，再由在线数据获取系统读取和储存，提供物理学家离线开展数据处理和分析，最终得到物理结果。

5 主要物理成果

BEPCII自2008年开始运行以来，发挥高亮度对撞机和高性能探测器的优势，日均获取的数据量较改造前提高约2个数量级。截止2013年底，BEPCII/BESIII共获取了5亿ψ（3680）事例、12亿Ј/ψ事例、2.9 fb-1ψ（3770）事例以及3.3 fb-1质心系能量4 GeV以上的事例，是目前在这些共振峰上世界上最大的数据样本。由11个国家的50多所大学和研究机构（其中中国29个单位）的近400名科学家组成的BESIII国际合作组是以我国为主的重大国际合作，在轻强子谱的研究、粲偶素的衰变等方面取得多项重大和重要的物理成果，发表了“首次发现带电类粲偶素Zc（3900）”等一批重要物理成果，2010年以来共发表学术论文53篇（其中：《Physical Review Letters》上13篇，《Physical Review D》上37篇，《Chinese Physics C》上3篇），在国际会议上报告北京谱仪实验物理结果约100次，其中大会特邀报告46个。BESIII的丰硕物理成果进一步巩固和发展了我国在粲物理研究的国际领先优势，得到了国际高能物理界的高的评价。作为例子，下面着重介绍Zc（3900）等3项物理成果。

5.1 发现新的共振结构Zc（3900）

北京谱仪III实验国际合作组2013年3月26日宣布，在采集的数据中发现了一个新的共振结构，暂时命名为Zc（3900）。

粲偶素含有粲夸克和反粲夸克，都是电中性的，不带电荷。而BESIII发现的Zc（3900）也含有粲夸克和反粲夸克，却又携带与电子相同或相反的电荷，表明其中至少含有4个夸克，可能是科学家们长期寻找的一种奇特强子。

研究表明，此次发现的Zc（3900）质量比一个氦原子略大，寿命很短，在10-23s内即衰变为一 个带电π粒子和一个J/ψ粒子。这一性质与普通介子态完全不同。虽然其自旋和宇称量子数、其他衰变和产生模式等性质仍然未知，但却提供了奇特强子态存在的有力证据，对于定量的理解强子是如何由夸克组成的、检验强相互作用理论具有重要意义。实验组将以Zc（3900）这个奇特共振结构的研究为突破口，在积累大量数据的基础上，全面理解近年来发现的一系列新的粲偶素或类粲偶素粒子，并确认奇特强子的存在。

Zc（3900）的发现得到国际高能物理界的高度关注和评价。著名强子物理学家艾里克·斯瓦森教授在美国《Physics》杂志上发表题为“新粒子暗示存在四夸克物质”的评论，指出“如果四夸克解释得到确认，粒子家族中就要加入新的成员，我们对夸克物质的研究就需要扩展到新的领域”。《Nature》杂志发表了题为“夸克‘四重奏’开启物质世界新视野”的报道，称“找到一个四夸克构成的粒子将意味着宇宙中存在奇特态物质”。美国《Physics》杂志发布的2013年国际物理领域的11项重要成果中，“四夸克物质”列在第一项。

5.2 验证X（1835）并观测到新粒子

2003年北京谱仪II（BESII）实验在过程中，发现在质子-反质子的质量阈附近有反常增强，分析可能是一个质量略低于正反质子质量阈的短寿命共振态粒子。这一发现引起了国际高能物理的广泛关注，认为此结构有可能是高能物理实验长期寻找的质子-反质子束缚态。BESIII利用其所采集的高统 计、高质量的J/ψ数据，对作了进一步的分析，确认了质子-反质子质量阈增长结构的存在，并首次确定它是一个赝标量粒子，其自旋和宇称为0-，为从理论上解释此共振态的性质及其分类提供了关键证据。

在寻找该增长结构的其他衰变模式的深入研究中，BESII在J/ψ→γπ+π-η′中发现一个新粒子X（1835）。该结果发表之后，许多物理学家对它的基本结构进行了各种理论解释。BESIII实验在J/ψ→γπ+π-η′不仅证实了X（1835）新粒子的存在，同时还观测到两个新粒子X（2120）和X（2370），受到高能物理界的高度重视。由于格点量子色动力学计算得到的赝标量胶球的质量就在2.3 GeV/c2附近，有人认为它们是胶球的可能性较大。是否能在J/ψ强衰变中观测到X（1835），X（2120）和X（2370），对于理解它们是胶球与否十分重要。BEII实验分析了J/ψ→ωπ+π-η，没有观测到X（1835），X（2120）和X（2370）等粒子，但在1.87 GeV/c2观测到一个新粒子X（1870），统计显著性大于7.2 σ。X（1870）的质量比X（1835）质量略大，而且宽度较窄，尚不能确定它们是否是同一共振态。对于X（1870）的性质，还有待进一步研究。

5.3 首次观测到同位旋破坏过程η（1405）→f0（980）π

BESIII实验在J/ψ→γ3π衰变过程，观测到很强的同位旋破坏过程η（1405）→f0（980）π，并且发现f0（980）的宽度非常窄，远小于粒子数据表上的值。通常，在强衰变中同位旋破坏的幅度小于1%，在0.1%的量级，而在η（1405）→ f0（980）π的过程中，

这一结果为理解长期困扰的“η（1405）和η（1475）究竟是一个粒子还是两个粒子”的问题，提供了重要的实验信息，对于理解赝标量介子谱具有重要的物理意义。

在开展高能物理实验的同时，BEPCII以兼用和专用的方式为用户提供高性能的同步辐射光。截止2013年底，BEPCII/BSRF为国内24个省市131个及国外17个研究机构的用户提供了14轮专用光，总供束时间达11223 h，用户课题总数3170个。自2010年3月起，高能物理实验同时向包括扭摆磁铁在内的6条束线以兼用模式供光，平均每束线供光3257 h。2006年以来，用户共发表论文1317篇，其中一区论文117篇，《Nature》2篇，《Science》1篇，《Nature》和《Cell》子刊19篇，《PNAS》5篇。清华大学课题组依托BSRF开展与糖尿病和肥胖症相关的蛋白质激酶研究，揭示了其工作原理。上海交通大学血液研究所与BSRF合作，成功揭示了As2O3（砒霜）治疗急性早幼粒细胞性白血病的分子机理。

6 总结与展望

经过几代人的努力，从早期高能加速器方案到BEPC，再到BEPCII，我国的高能物理实验基地的建设和粒子物理实验研究走过了艰辛而光荣的历程，在国际高能物理领域占据了一席之地，BEPCII的成功建设和高性能运行保持和发展了我国在粲能区研究的国际领先地位。

BEPCII/BESIII将在今后8～10年间取得更多物理成果，实现并扩展其科学目标。BESIII计划获取100亿J/ψ事例、30亿ψ（3680）事例、20 fb-1的ψ（3770）事例和（5～10）fb-1的高能区粲偶素事例，约分别为BESIII之前国际上拥有的相应数据总量的170倍、100倍、20倍和8～16倍，是BESIII在过去4年里采集的相应数据的8倍、6倍、7倍和2～4倍，并计划进行τ质量和R-值的精确测量。这就要求加速器继续提高峰值亮度和积分亮度，探测器不断改进性能、提高测量精度，共同提高取数效率。

国际上粒子工厂型对撞机，从建成到达到亮度设计指标，都经历了加速器调束、参数调整、提高对撞流强和继续改造硬件设备等过程，逐步提高对撞亮度。BEPCII将采取各种措施，提高束束作用参数（水平工作点进一步靠近半整数、调整垂直方向工作点、优化发射度及耦合参数等），提高单束团流强（提高特征亮度、抑制束团尺寸增加等），提高总对撞流强（改进高频系统、优化逐束团反馈和增加束团数目等）和减小对撞点垂直包络函数（改进动力学孔径和压缩束团长度等）等，使峰值亮度逐步达到以致超过1×1033cm-2s-1的设计目标，并按照“一机两用”的原则，实现在高能物理和同步辐射中的高效率恒流运行，为用户提供更通量和更高亮度的同步辐射光。与此同时，BESIII探测器也将加强维护、提高性能，并针对加速器亮度提高实施探测器进行升级与改进的计划。

BEPCII/BESIII作为世界上唯一运行在粲能区的强子工厂，系统开展轻强子谱的深入研究，预期在多夸克态、胶球、混杂态的寻找和研究上有所突破，对BES和其他实验已发现的一些新的共振态进行系统的研究，确定其性质；系统研究粲偶素和类粲偶素能谱，J/ψ，ψ（3680），χcJ，ηc（2S），hc等粲偶素的产生和衰变性质；研究类粲偶素粒子的性质，寻找含粲夸克的奇特介子态；寻找和研究新的重子激发态；精确测量CKM矩阵元；寻找和测量ψ（3770）到非DD—的衰变模式，确定其分支比；把此能区R值的测量精度提高到1%～2%，探索新的物理现象和新规律等。发挥BEPCII/BESIII在粲能区具有的独特优势，有望在以上前沿领域有所突破，并对BESII和其他实验已发现的一些新的共振态进行系统的研究，取得具有世界领先水平的重大物理成果，并为粲能区非微扰量子色动力学和弱电相互作用的研究以及新物理的寻找提供重大的发展机遇。在未来的5～10年里，中国科学院高能物理研究所将基于BEPCII/BESIII，继续加国内外合作，建设一个国际领先的粲物理实验研究中心。

致谢BEPCII是国家在“十·五”期间投资建设的重大科学工程，上千名科研工程技术人员参加了工程的设计研究和调试运行，上百家科研院所、高等院校和工厂企业参与了工程建设。BEPCII建成后，由来自11个国家约350名科学家组成的BESIII国际合作组在BEPCII上开展高能物理实验研究。本文是BEPCII和BESIII团队集体工作成果的综述。作者谨代表工程指挥部衷心感谢BEPCII团队和BESIII国际合作组对本项目做出的卓越贡献。