北京正负电子对撞机

刘辛味

31年前，在北京八宝山东麓，我国第一台大科学装置——北京正负电子对撞机（BEPC）建成。它由长202米的直线加速器、输运线、周长240米的圆形加速器（也称储存环）、高6米重650吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成，外形像一只硕大的羽毛球拍。

到底什么是对撞机？这个坐落在地下的庞然大物到底是做什么的？科学家用它发现了什么？

在中国科学院第十七次院士大会、中国工程院第十二次院士大会上，习近平总书记强调：“要高度重视原始性专业基础理论突破，加强科学基础设施建设，保证基础性、系统性、前沿性技术研究和技术研发持续推进，强化自主创新成果的源头供给。要积极主动整合和利用好全球创新资源，从我国现实需求、发展需求出发，有选择、有重点地参加国际大科学装置和科研基地及其中心建设和利用。”

北京正负电子对撞机正是进行基础科学研究的大型科学装置，也许你对北京正负电子对撞机还不算了然，但它的提出、建成、升级，每一个过程都代表着我国高能物理的一步步发展，对人类了解世界的构成更是做出了杰出贡献。

命途多舛的中国加速器

上个世纪50年代初，美、苏、欧等少数工业发达国家和地区开始大力筹建高能加速器。虽然当时我国在高能物理领域与国际先进水平有很大差距，但仍希望有自己的加速器。1956年制定的《科学发展十二年远景规划》就提出“制造适当的高能加速器”的构想。然而从提出构想，到真正建设成北京正负电子对撞机，我国加速器的建成经历了颇为波折的命运。

“从一九五六年起，高能物理工作，五起五落……高能物理实验几乎一片空白，高能物理研究则全是依靠外国的实验数据……”1972年9月，由张文裕、朱洪元、谢家麟、何祚庥等18位科学家联名上书中央的信中写道。

70年代末，我国的高能物理研究有了长足发展。随着“派出去，引进来”，我国与欧洲核子中心建立了频繁有序的科技交流，寻求到了部分技术和设备的支持;邓小平访美期间签署了中美两国在高能物理方面进行合作的协定;在李政道的大力撮合下，第一次中美高能物理联合委员会在北京召开。还有之前建成的预制研究基地、6个实验大厅以及10GeV质子直线加速器，为后面的研制打下了基础。

因为有过经费的困难，此时，我国物理学家提出，能否制造一个规模小、便宜，但同样能做出好的物理成果的加速器？

争议声中的建造

要了解到底建一个什么样的加速器，还有必要了解一下当时世界粒子物理学的发展状况。

到上世纪60年代，物理学家已经发现了100多种粒子，他们考虑能否把这些粒子像元素周期表一样归类。1962年，美国物理学家盖尔曼发明了一种方法，可以为这些粒子（强子）归类，并且通过这种方法又预言了一个新粒子Ω-超子。美国布鲁克海文国家实验室的交变梯度同步加速器（AGS）验证了他的预言。接下来，他进一步设想原子核内的质子，是由更基本的3种粒子——夸克组成。夸克模型的成功让盖尔曼获得了1969年诺贝尔奖。虽然夸克模型并不是描述这些粒子相互作用的完整理论，但为基础物理研究开启了新的一页。

1974年，在布鲁克海文实验室工作的丁肇中团队，利用质子打铍靶，发现了一个新粒子，他命名为J粒子。

几乎同时，里克特用斯坦福直线加速器（SLAC）也发现了这个粒子，他命名为Ψ，因此这个粒子被称为J/Ψ。后来实验证明，这个粒子是由一对正反粲夸克组成的束缚态。两人的发现在物理学史中被称为“十一月”革命，人类对粒子的基本结构又有了新的认识，而与粲夸克相关的问题，所谓粲物理还在等待科学家发现。

“当时在那个能区（粒子能量的区域）有很好的物理工作，但针对这一能区的加速器性能都不太好。”中国科学院高能物理研究所研究员张闯回忆说。

中科院在1981年提出建造一台2X2.2GeV的正负电子对撞机，目标产生更多J/Ψ粒子，让我国进入高能物理的前沿研究。选择这一能区建造加速器，是经过了当时国内专家与李政道、吴健雄、袁家骝以及美国加速器专家潘诺夫斯基等人多次深入、反复论证得出的结果，而北京正负电子对撞机的立项也经过漫长磨合的过程。

BEPC 外形像一個巨大的羽毛球拍，球拍的“把”是一台长202 米的正负电子直线加速器。电子枪发射出的电子在加速管中不断得到加速，一部分电子束在轰击钨靶后产生正负电子束，正负电子束通过输运线注入周长为240 米的球拍“框”——储存环中，不断地积累、储存、加速、对撞。

其实，从1980年年底高能所开始讨论加速器方案时就有很大分歧。比如，用质子还是电子？我国有一定制造质子加速器的经验，而且用质子打静止靶也会发现更多的粒子，有更好的物理意义。但无论是成本还是建设难度对当时我国情况提出了极大的挑战。

即使这个电子对撞的方案有众多优势，也仍然遭到了反对：连静止打靶加速器都没完全做出来，一步登天造对撞机，我们行吗？“物理窗口”（指粲物理领域需要深入研究的空白领域）在对撞机建成后还有吗？能否实现长期稳定运行，一机两用？

1983年4月，经国务院批准，北京正负电子对撞机（BEPC）方案上马，计划4年完成。12月，党中央、国务院将其列入国家重点工程项目，代号8312工程。

终于顺利运行

汇集全国力量，BEPC开工了。随着磁铁、高频机、调速管、调制器等高难度专用设备试制成功，所有人对其建成更有信心。但依然存在很多问题，能否按期完成？建成后能否达到预期目标？能否实现稳定运行？随着工程竣工，在1988年10月16日首次实现正负电子对撞，成功达到设计预期亮度（指对撞机主要性能）后，这些问题得到了完美的答案。北京正负电子对撞机成为J/Ψ粒子能区性能最好的加速器。

“我有个梦想，做中国自己的加速器。”39年前，张闯第一次出国，在费米国家实验室楼顶俯瞰6公里长的加速器，感慨中国什么时候有自己的高能加速器，这次他圆梦了。

无论是加速器建设，还是让它稳定运行，我国的科研工作者付出了常人难以想象的艰辛。他们白天用穿孔纸带计算数据，晚上值班担心突如其来的电话，由数十万组件集合而成的大科学装置，任何一个小元件的损坏故障都会使BEPC停运。BEPC最初有近30%的时间花费在设备维护上，经过3年的努力把故障率降到5%以下，平稳运行至今。

BEPC外形像一个巨大的羽毛球拍，球拍的“把”是一台长202米的正负电子直线加速器。电子枪发射出的电子在加速管中不断得到加速，一部分电子束在轰击钨靶后产生正负电子束，正负电子束通过输运线注入周长为240米的球拍“框”——储存环中，不断地积累、储存、加速、对撞。球拍的正顶部是对撞点，这里有一台探测器，是北京正负电子对撞机同时建造的大科学装置北京谱仪（BES），电子发生了什么会在这里检测出来。而在环线的切线方向，安放了同步辐射装置（BSRF），实验室能开展同步辐射相关的实验。北京正负电子对撞机，真正做到了“一机两用”。

一用是粒子对撞，二用就是同步辐射。同步辐射就是带电粒子接近光速时，若在电磁场中偏转，就会沿切线方向发射出一种电磁辐射，像下雨天旋转雨伞，水滴会从伞的边缘飞射出去一样。这种电子的自发辐射，成为探究原子、分子水平世界的有力工具，在生命科学、材料科学、凝聚态物理、环境科学等领域发挥重要作用。

做出了自己特色的成果

BEPC运行后，获得了哪些成果？上世纪90年代初国内还没有互联网，北京正负电子对撞机工程进入了实验数据分析阶段，由于中美国际合作需要建立一条Internet专线来传输实验数据以及各种信息，就这样在高能所架设了第一台服务器，我国第一个WWW网站就此诞生。其实，这不过是大科学工程附带的好处之一。由于BEPC的建造成功，美国斯坦福电子直线加速器上的MARK3探测器停止运行，部分人员参加到中国的对撞机上工作，成立了北京谱仪合作组。

在BEPC运行之初，科学家就把能量放在了产生J/Ψ粒子的能区上，寻求更多的数据以便对这种粒子进行物理分析。90年代初，国际高能物理学界发现了新问题，实验测出的τ轻子质量与相关的理论不符。这是一个很大的理论挑战，如果实验测量正确，意味着公认的轻子普适性原理被破坏，可能出现新的物理理论。另一种可能则是实验测出的质量不准。

1992年，BEPC给出了τ轻子质量的精准测量，精度比原来提高了10倍，原来的结果有较大的偏差。标准模型并没有倒塌。更新了粒子物理学数据权威《粒子物理手册》（PDG），被认为是当年国际最好的粒子物理成果。

张闯说：“τ轻子质量测量只是当时影响力最大的成果之一。”实际上在粲物理能区，对粲偶素、粲介子的研究如同打开了一座宝库，至今更新了PDG中的800余项数据。另一项影响力较大的是R值（强子产生截面，表征单位亮度的对撞机在单位时间产生粒子的概率）测量。减小R值测量误差的实验结果，对于寻找希格斯粒子（上帝粒子）有重要作用。得出的结果更新了希格斯粒子的质量下限，证实了当时国际最强的加速器都无法产生希格斯粒子。BEPC并不是没有竞争对手，2000年美国康奈尔大学正负电子对撞机CESR降能至粲物理能区，并且提出了改造方案——要比BEPC设计亮度还要高的CESRc。中国最终接受挑战，提出重大改造升级BEPC II。建成后的BEPC II，亮度为CESRs的14倍以上，成为国际上最先进的双环对撞机之一，继续保持在粲物理领域国际领先的地位。同时北京谱仪改造成性能世界一流的探测器，BES III。

“我们期待来自BES III的一系列重要物理发现。”来自康奈尔的赖斯教授在发给高能所的贺信中说。升级后的第三代北京谱仪（BES III）发现了新的“四夸克物质”，在2013年美国《物理》雜志公布的11项重要成果中位列第一。

同步辐射装置也硕果累累，目前每年接待100多个单位进行500余项实验。SARS病毒的主蛋白酶结构，以及与药物靶分子作用，就是在BSRF生物大分子站开展的，为抗击SARS病毒提供了重要信息。

另外，古生物学家还利用北京同步辐射装置对一块琥珀进行了无损成像，得到了隐藏在琥珀中的恐龙尾部椎骨的高质量投影图像，进而构建出恐龙尾部的高清3D形态，凭借此技术，人类有史以来第一次在琥珀中发现恐龙化石……

这些学术成果，正印证着我国科研从跟跑到并跑，到今天部分领域领跑的发展状况。

另外，不得不提的是，BEPC的建设对各种加速器、同步辐射装置起到了奠基作用，推动了我国工业发展。成都飞机工业集团承担BEPC II工程中北京谱仪III漂移室室体的研制，通过合作，成飞集团精密机械加工技术水平提高了10倍，促进了其自身产品的技术进步。

BEPC目前还没有做出诺贝尔奖级的工作，高能所前副所长李卫国研究员承认，做出世界级成果很有难度，国际上的热点也在高能量区。BES，在粲能区有丰富的发现和潜力，想研究粲物理，就来BEPC。

北京正负电子对撞机的建设、运行、成果，真正实现了“中国必须发展自己的高科技，在世界高科技领域占有一席之地”。

◎ 来源|北京科技报