北京正負電子對撞機重大改造工程和BESIII物理成果

陳和生 張闖 李衛(wèi)國

高能物理是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小單元構(gòu)成及其相互作用規(guī)律的前沿學(xué)科，并在宇宙起源和進化、天體形成和演化等許多領(lǐng)域的研究中起著十分重要的作用。20世紀50年代以來，粒子物理實驗一直是國際基礎(chǔ)科學(xué)研究的最前沿和知識創(chuàng)新的熱點之一。

在我國建設(shè)高能物理實驗基地，是幾代科學(xué)家多年的夢想。1956年制訂的我國科學(xué)發(fā)展十二年遠景規(guī)劃中就提出“制造適當?shù)母吣芗铀倨鳌钡臉?gòu)想。從20世紀50年代末到了60年代初，國家投資1億多元，參加當時社會主義國家共同在蘇聯(lián)建立的杜布納聯(lián)合核子研究所，中國科學(xué)家在那里進行高能物理研究，取得了反西格瑪負超子的發(fā)現(xiàn)等一系列重要成果。國家還選派了一批青年科學(xué)家，到蘇聯(lián)學(xué)習(xí)高能加速器物理與技術(shù)，曾提出1～2 GeV電子同步加速器的設(shè)計。隨后，科學(xué)家先后又提出450 MeV強流中能回旋加速器、3.2～6 GeV質(zhì)子同步加速器、強流超導(dǎo)直線加速器和50 GeV質(zhì)子同步加速器等方案，由于種種原因，都未能付諸實施。

改革開放迎來了科學(xué)的春天，遵照鄧小平同志的指示，在廣泛聽取國內(nèi)外有關(guān)專家的意見，進行充分論證的基礎(chǔ)上，中國科學(xué)院提出了在北京建造2×2.2 GeV正負電子對撞機的方案，得到了國家的批準。中國高能物理事業(yè)從此走上了快速發(fā)展的道路。

1 北京正負電子對撞機

北京正負電子對撞機于1984年10月破土動工，1988年10月建成對撞成功，BEPC投入運行后，對撞機的亮度迅速達到設(shè)計指標，在1.89 GeV時亮度為1×1031cm-2s-1，成為在τ-粲能區(qū)性能居國際領(lǐng)先地位的高能物理實驗裝置。

北京正負電子對撞機由五大部分構(gòu)成：注入器、束流輸運線、儲存環(huán)，北京譜儀（BES）和同步輻射裝置（BSRF）。

BEPC的成功建設(shè)和高效運行，為取得物理成果創(chuàng)造了條件。自20世紀90年代以來，北京譜儀合作組在對撞機上獲得了τ輕子質(zhì)量精確測量、R值精確測量和X（1835）等新粒子的發(fā)現(xiàn)等一批重要成果，在國際權(quán)威的粒子數(shù)據(jù)表有400多項數(shù)據(jù)是北京譜儀合作組在對撞機上測定的，高能物理研究所也躋身于世界主要的高能加速器實驗中心之列。BEPC一機兩用，既是一座國際先進的高能物理實驗裝置，又是一臺高性能的同步輻射光源。北京同步輻射裝置（BSRF）作為我國眾多學(xué)科的大型公共實驗平臺，每年向來自全國數(shù)百個研究所和高等院校用戶開放，取得了包括若干重要蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測定在內(nèi)的許多重要結(jié)果。

BEPC/BES在τ-粲物理實驗研究中取得的成就，引發(fā)了國際高能物理界對τ-粲物理的極大興趣，十分重視這一能區(qū)的豐富的物理“礦藏”。2001年初，美國康奈爾大學(xué)決定將其一臺工作在質(zhì)心能量10 GeV左右的正負電子對撞機CESR，調(diào)整至3～5 GeV工作（稱作CESRc），到粲物理研究領(lǐng)域與BEPC競爭。該對撞機在此能區(qū)的亮度設(shè)計指標是3×1032cm-2s-1，計劃在2003年底開始運行。當時我們提出對BEPC進行改造的單環(huán)麻花軌道多束團對撞方案，設(shè)計亮度與CESRC相當，而在時間上至少晚2～3年。如果不采取有力對策，我們在激烈的國際競爭將處于劣勢，難以做出國際領(lǐng)先的創(chuàng)新性研究工作，我國高能物理將可能失去在世界上已有的一席之地。為了繼續(xù)保持我國在粲物理領(lǐng)域?qū)嶒炑芯康膰H領(lǐng)先地位，科學(xué)家經(jīng)過詳細地分析和研究，發(fā)現(xiàn)有可能在現(xiàn)有的儲存環(huán)隧道內(nèi)建造一臺雙儲存環(huán)的對撞機。在雙環(huán)方案中，正負電子束流在兩個彼此獨立的儲存環(huán)中積累，在南對撞點處對撞，因而每個環(huán)中束流的束團數(shù)目可以更多，從而使理論計算的亮度大幅度提高，為單環(huán)方案的3倍以上，達到1×1033cm-2s-1。而且雙環(huán)方案能靈活地進行參量的調(diào)整和優(yōu)化，不僅可以達到更高的亮度，而且也避免了單環(huán)方案中的“麻花”軌道引起的一系列問題，技術(shù)風(fēng)險相對較小，有利于在建成后比較短的時間內(nèi)達到設(shè)計亮度，在與CESRC的競爭中取得領(lǐng)先。經(jīng)過對BEPCII的單環(huán)方案和雙環(huán)方案進行深入的討論和比較，我們決定采用雙環(huán)方案，在1.89 GeV下的設(shè)計亮度為1×1033cm-2s-1，與CESRC相比具有明顯的優(yōu)勢。

2 BEPCII的科學(xué)目標和工程概述

BEPCII的建設(shè)目標是對BEPC進行重大改造，其主要任務(wù)是在對撞機現(xiàn)有隧道內(nèi)建造國際上先進的雙環(huán)對撞機，在質(zhì)心系能量3.77 GeV時達到1×1033cm-2s-1的設(shè)計目標；與BEPCII高計數(shù)率運行的要求相配合，建造新北京譜儀BESIII，大幅度提高測量精度，減少系統(tǒng)誤差。BEPCII要在τ-粲能區(qū)進行精確測量，同時探索新的物理現(xiàn)象，為我國在今后相當長的時期內(nèi)保持粲物理研究的國際領(lǐng)先地位，取得原始創(chuàng)新性物理成果奠定基礎(chǔ)。BEPCII投入運行后，能獲取比BEPC已有的J/ψ，ψ（3686）和ψ（3770）等事例高兩個量級的數(shù)據(jù)，在τ-粲物理前沿課題取得一系列具有世界領(lǐng)先水平的重大物理成果。根據(jù)國際高能物理的最新發(fā)展，BEPCII確定了以下的主要科學(xué)目標。

（1）尋找膠子球，夸克-膠子混雜態(tài)和多夸克態(tài)等新型強子；膠子球和夸克-膠子混雜態(tài)和多夸克態(tài)是量子色動力學(xué)預(yù)言的新的物質(zhì)形態(tài)，對量子色動力學(xué)的發(fā)展具有重大意義。

（2）尋找1P1和η′c；它們是粲夸克偶素家族中尚未發(fā)現(xiàn)的重要成員；精確測量C-K-M矩陣元；直接測量Vcs和Vcd，精度分別提高到1.6%和1.8%左右。對D衰變絕對分支比測量，結(jié)合B工廠測量，可將Vcb的測量精度提高到3%左右。

（3）研究粲夸克偶素譜及其衰變性質(zhì)，研究輕強子譜；

（4）精確測量2～4.6 GeV能區(qū)強子的R值，將精度進一步提高到小于3%；這對精確檢驗電弱統(tǒng)一理論，精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的計算，g-2實驗等，具有重要意義；

（5）D和DS物理研究，包括衰變性質(zhì)，衰變常數(shù)fD和fDs的測定等；

（6）利用粲夸克偶素衰變研究重子激發(fā)態(tài)；

（7）τ輕子物理：包括大幅度提高τ輕子質(zhì)量的測量精度和降低τ中微子質(zhì)量的上限，研究τ輕子的衰變性質(zhì)及其帶電流的洛倫茲結(jié)構(gòu)等；

（8）尋找τ輕子和粲夸克偶素衰變中的CP破壞；

（9）尋找混合和CP破壞等。

與BEPC相同，BEPCII仍保持一機兩用，其高流強的優(yōu)勢有助于在兼用和專用模式下為用戶提供高通強和高亮度的同步輻射光。

BEPCII采用世界上最先進的加速器技術(shù)，探測器技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有極大的挑戰(zhàn)性，也可有力地帶動我國相關(guān)高技術(shù)的發(fā)展。

正負電子束流從直線加速器從西、東兩側(cè)分別注入到各自的儲存環(huán)中，內(nèi)外環(huán)在南北兩個相互作用點交叉，在南面的相互作用點以2×11 mrad的水平夾角對撞，北京譜儀BESIII安裝在對撞區(qū)，開展高能物理實驗。在儲存環(huán)外側(cè)安裝了15條光束線和實驗站。在高能物理實驗的同時，利用電子束在偏轉(zhuǎn)磁鐵和插入元件中偏轉(zhuǎn)時發(fā)出的同步輻射光以兼用的方式開展實驗；而對于專用的同步輻射運行，則采用南對撞區(qū)超導(dǎo)插入磁鐵中的一組水平偏轉(zhuǎn)繞組，將電子束從東外環(huán)偏轉(zhuǎn)到西外環(huán)（“內(nèi)橋”），而在北區(qū)設(shè)計了連接真空管道（“外橋”），實現(xiàn)電子束在外環(huán)回旋的同步輻射環(huán)，從而使同步光通過安裝在外環(huán)切線方向的光束線進入試驗站，在專用模式下開展實驗研究。

3 加速器

BEPCII加速器改造的目標是將表征對撞機性能主要指標的亮度在BEPC的基礎(chǔ)上提高兩個數(shù)量級。BEPC屬于通常的對撞機一類，對撞機亮度在1032～1033cm-2s-1之間，正負電子在對撞時可以產(chǎn)生更大量粒子，故稱為“粒子工廠”。正在建造中超級粒子工廠——Super-KEKB，亮度為8×1035cm-2s-1。世界上有3個粒子工廠，即意大利的Φ粒子工廠DAΦNE和美國與日本的B介子工廠PEP-II與KEKB。在τ-粲能區(qū)，CESRC投入運行后，一度成為亮度最高的對撞機，而BEPCII的建成和成功運行，又奪回了這一亮度制高點。

正負電子束流對撞的亮度表示為

式中，r＝σ*y/ σ*x為對撞點處束團截面的形狀因子，即垂直與水平方向尺寸的比值；E為束流能量，ξy為垂直方向束-束作用參量，βy*為對撞點處垂直方向的包絡(luò)函數(shù)值，kb為每一束流中束團的數(shù)目，而Ib為每一束團的流強。在能量確定和束團的流強受限于束-束作用參量ξy的情況下，提高亮度有效的方法是增加束團數(shù)目和減小對撞點處的包絡(luò)函數(shù)值。BEPCII采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)增加對撞束團數(shù)，并采用超導(dǎo)磁鐵壓縮對撞點包絡(luò)函數(shù)，能大幅度提高對撞亮度。

雙環(huán)方案對于提高對撞亮度提供了有利的條件，同時也給加速器物理和技術(shù)上帶來一系列的挑戰(zhàn)。

（1）BEPC隧道是按單個儲存環(huán)的方案設(shè)計的，對于安裝雙環(huán)空間偏小，這是對加速器布局和對撞區(qū)設(shè)計與建造的挑戰(zhàn)，也給隧道設(shè)備安裝造成困難。

（2）儲存環(huán)的高流強要求高性能的注入器，要在1.55～1.89 GeV的能區(qū)實現(xiàn)全能量注入，正電子注入速率須達到50 mA min-1以上，約為BEPC正電子注入速率的10倍以上。

（3）BEPCII采用雙環(huán)多束團對撞，設(shè)計流強接近1 A，比BEPC提高約一個數(shù)量級，對真空部件、束測元件等提出了苛刻的要求，必須盡量降低其耦合阻抗，抑制束團拉伸、耦合束團不穩(wěn)定性和可能的高次模發(fā)熱等集體效應(yīng)，并采用逐束團反饋等。

（4）BEPCII的高亮度要求采用超導(dǎo)高頻和超導(dǎo)磁鐵以及低溫等先進技術(shù)，在這方面我們?nèi)鄙偌夹g(shù)儲備。

（5）為了滿足日益增長的同步輻射用戶的需求，BEPCII繼續(xù)采用“一機兩用”的設(shè)計原則，這給儲存環(huán)設(shè)計造成許多限制，給真空系統(tǒng)帶來很多難題，也對運行提出了更高的要求。

（6）BEPCII對撞束流能量范圍為1～2.3 GeV，要求在很寬能量的范圍達到高亮度，這給加速器物理設(shè)計、調(diào)束運行和包括高頻微波、磁鐵、電源、真空、束流測量、自動控制、低溫和超導(dǎo)、輻射防護、精密機械和準直安裝技術(shù)等硬件設(shè)備研制提出了挑戰(zhàn)。

面對這些挑戰(zhàn)，在BEPCII在總體上和各個系統(tǒng)中采用了一系列的創(chuàng)新性設(shè)計和技術(shù)，在較短的周長、擁擠的對撞區(qū)和窄小的隧道里實施了雙環(huán)方案，并采用“內(nèi)外橋”聯(lián)接兩個正負電子外半環(huán)形成同步輻射環(huán)和大交叉角正負電子雙環(huán)的“三環(huán)方案”，兼顧了高能物理與同步輻射應(yīng)用，滿足了“一機兩用”的要求。

3.1 注入器改造

BEPCII對作為BEPCII儲存環(huán)注入器的直線加速器提出了兩方面的要求：要求正電子注入能量Einj≥1.89 GeV；正電子注入速率≥50 mA min-1，即為BEPC運行值的10倍以上。

為了實現(xiàn)E＝1.89 GeV的正電子全能量注入，需采用45～50 MW的大功率速調(diào)管取代BEPC注入器的30 MW速調(diào)管，同時對其調(diào)制器進行改造，并研制改進型大功率波導(dǎo)閥門、大功率負載和定向耦合器等。為了將正電子從BEPC的流強提高10倍以上，需要研制新的電子槍，提高打靶電子束流強，提高束團脈沖頻率，提高打靶電子能量和研制新的正電子源等。

安裝在隧道里總長為202 m的直線加速器，近端是正電子靶和聚焦螺線管磁鐵。正電子源采用具有大俘獲效率的磁號和直流強磁場的創(chuàng)新技術(shù)路線和獨特的凸輪靶驅(qū)動裝置，新增束斑監(jiān)測器，優(yōu)化打靶初級電子束尺寸，滿足了高正電子產(chǎn)額的設(shè)計要求。經(jīng)過精心的研究和調(diào)試，直線注入器的各項性能均達到了設(shè)計指標，并在實際運行中繼續(xù)提高，滿足了BEPCII工作的要求。

3.2 儲存環(huán)

3.2.1 概述

儲存環(huán)是BEPCII加速器的主體，正負電子束流在儲存環(huán)中積累、儲存并對撞，提供高能物理和同步輻射實驗。BEPCII儲存環(huán)由三個環(huán)組成，即負電子環(huán)（BER）、正電子環(huán)（BPR）和同步輻射環(huán)（BSR）。

為了達到BEPCII高亮度的目標，要求在儲存環(huán)中穩(wěn)定地積累并存儲1 A量級的高流強，實現(xiàn)微包絡(luò)函數(shù)對撞，采用插入到北京譜儀中的超導(dǎo)磁鐵，把對撞點的垂直包絡(luò)函數(shù)值壓縮到1.5 cm，采用超導(dǎo)射頻腔束壓縮束團長度，同時盡量降低阻抗以抑制束團拉伸和耦合束團不穩(wěn)定性。這些都對真空部件和束測元件等的提出了嚴格的要求。BEPCII的一機兩用和兼用模式運行，也給儲存環(huán)提出了諸多限制。與B工廠和 Φ 工廠在固定能量下運行的情況不同，BEPCII設(shè)計對撞束流能量范圍為1～2.1 GeV，后又根據(jù)物理實驗的要求，提高到2.3 GeV，如此寬的工作能量范圍寬，對加速器物理和設(shè)備提出了一系列挑戰(zhàn)。

束團微波不穩(wěn)定性將引起束團長度的拉伸，在不穩(wěn)定性的閾值以上，高斯分布的束團長度σz表示為

式中，R為儲存環(huán)的平均半徑，αp為動量壓縮因子，Ib為束團流強，ωs為縱向振蕩的圓頻率，|Z/n|eff為有效寬帶阻抗。

從式（2）中可見，在閾值以上時，束團長度隨流強和阻抗的1/3次方增長。BEPCII設(shè)計的|Z/n|eff值為0.23 ?，在設(shè)計的束團流強Ib＝9.8 mA時，不會發(fā)生微波不穩(wěn)定性。在儲存環(huán)建造中，通過對真空盒部件嚴格的控制，減小了耦合阻抗，使束團拉伸得到了有效的抑制，測量表明，在設(shè)計流強下，束長可以控制在1.5 cm以下。在多束團高流強下，采用橫向和縱向反饋系統(tǒng)，有效地抑制了電阻壁效應(yīng)、離子效應(yīng)和橫向與縱向振蕩等耦合束團不穩(wěn)定性。正電子環(huán)中采用束流管道內(nèi)壁鍍氮化鈦的帶前室真空盒，有效地降低電子云的密度，避免了束團橫向尺寸的增長。在對撞亮度方面，開展了束-束模擬研究，通過束流光學(xué)的優(yōu)化、閉軌校正和對撞點參量與橫向耦合的優(yōu)化等，成功地實現(xiàn)在半整數(shù)附近工作點的運行，束-束相互作用因子逐步接近和達到設(shè)計值0.04，使亮度在運行中逐步提高。關(guān)于調(diào)束與運行的具體情況，將在3.3節(jié)中討論。

3.2.2 射頻系統(tǒng)

在儲存環(huán)中，射頻系統(tǒng)的主要功能是對正負電子束流進行同步的加速，補償同步輻射以及高次模效應(yīng)等引起的束流能量損失，使束流在平衡軌道上穩(wěn)定地儲存，并有效地壓縮束團長度。BEPC儲存環(huán)采用的是200 MHz常溫射頻系統(tǒng)，腔的射頻電壓、功率和高次模損失等參量均不能滿足BEPCII的要求。根據(jù)BEPCII射頻系統(tǒng)高腔壓和高流強的特點，決定采用超導(dǎo)高頻腔的方案。射頻系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容主要包括：在正、負電子環(huán)中各安裝一臺500 MHz超導(dǎo)高頻腔，每臺腔至少提供1.5 MV的加速電壓和123 kW的束流功率；在原有的兩個射頻功率源大廳各安裝一臺速調(diào)管發(fā)射機及其相應(yīng)的大功率環(huán)流器、負載和波導(dǎo)饋送系統(tǒng)等，為每臺超導(dǎo)高頻腔提供250 kW的射頻功率；為射頻腔及其功率源研制低電平控制系統(tǒng)。測試表明，兩臺射頻腔在2 MV時的品質(zhì)因數(shù)Q值分別達到5.4×108和9.6×108，優(yōu)于設(shè)計值5×108。

3.2.3 磁鐵系統(tǒng)

BEPCII需要在原BEPC的隧道內(nèi)建造兩個儲存環(huán)。在磁鐵系統(tǒng)中，除了要增加一個新環(huán)的磁鐵外，還需要對部分老磁鐵進行改造。不同于BEPC磁鐵采用的低電壓、大電流的設(shè)計原則，針對隧道空間狹窄的特點，BEPCII儲存環(huán)新的四極和六極磁鐵采用了高電壓、小電流的設(shè)計思想，同時要求所有位于內(nèi)、外環(huán)上的新磁鐵能夠分別滿足2.1 GeV（對撞運行）和2.5 GeV（同步輻射運行）的能量要求。磁鐵系統(tǒng)的主要建設(shè)內(nèi)容包括：重新設(shè)計和研制48臺偏轉(zhuǎn)磁鐵89臺四極磁鐵、4臺斜四極磁鐵、72臺六極磁鐵、60臺二極校正磁鐵；改造BEPC儲存環(huán)的28臺四極磁鐵和4臺斜四極磁鐵的線圈；設(shè)計和加工新的磁鐵支架，使其滿足振動、變形及隧道安裝和調(diào)整要求；對所有磁鐵進行支架上的預(yù)準直和隧道內(nèi)的準直。對于所有的新磁鐵和改造磁鐵，都進行了細致的磁場測量和墊補，磁場質(zhì)量均達到物理要求，并在對撞機的運行中驗證了其高精度和高穩(wěn)定性。

3.2.4 電源系統(tǒng)

BEPCII的雙環(huán)方案使為磁鐵供電的高精度穩(wěn)流電源的數(shù)量增加了1倍以上，包括4臺偏轉(zhuǎn)磁鐵電源、129臺四極磁鐵電源、36臺六極磁鐵電源、144臺二極校正磁鐵電源、14臺對撞區(qū)特種磁鐵電源和16臺超導(dǎo)磁鐵電源。為了減少電源所需占用的空間，電源系統(tǒng)采用各種類型的開關(guān)型電源，其中四極和六極磁鐵在國內(nèi)加速器上首次采用了斬波電源。開關(guān)電源的使用，對電磁兼容的設(shè)計提出了很高的要求。此外，還研制并裝備了超導(dǎo)磁鐵失超保護系統(tǒng)、常溫磁鐵線圈溫度保護系統(tǒng)、對撞區(qū)特種磁鐵線圈溫度快速保護系統(tǒng)、在線電流穩(wěn)定度測試系統(tǒng)，確保了磁鐵和電源系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。

3.2.5 束流注入系統(tǒng)

BEPCII正、負電子環(huán)各有一套注入系統(tǒng)，每套系統(tǒng)由2臺沖擊磁鐵及其高壓脈沖電源和1臺鐵切割磁鐵及其直流電源組成，其中鐵切割磁鐵利用BEPC原有的設(shè)備。束流注入要求沖擊磁鐵在百納秒級的短時間內(nèi)上升和下降，為了避免磁場快速變化在金屬真空盒上引起的渦流效應(yīng)，通常把磁鐵的導(dǎo)流板安裝在真空盒內(nèi)，或采用陶瓷等絕緣材料制作的真空盒。BEPCII的沖擊磁鐵磁場波形為底寬600 ns的半正弦波，安放在真空室內(nèi)，這就對束流耦合阻抗和磁場均勻性都提出了很高的要求。國際上采用的兩種沖擊磁鐵方案，即內(nèi)壁鍍金屬膜的陶瓷真空盒加鐵氧體磁軛的方案和開槽管（Slotted-Pipe）方案，都不能滿足BEPCII的要求。為此，提出了用內(nèi)壁鍍金屬膜的陶瓷板的創(chuàng)新性方案，解決了減小束流耦合阻抗和提高磁場均勻性的矛盾。在垂直位置Y＝0, 5和10 mm時的場均勻度分別為±0.59%，±0.87%和±3.21%，優(yōu)于±1%，±2%和5%的要求。

3.2.6 真空系統(tǒng)

BEPCII儲存環(huán)對真空系統(tǒng)提出了兩個方面的挑戰(zhàn)：一是在安培級大流強下保持超高真空度，即在能量1.89 GeV和流強0.91 A時，弧區(qū)的動態(tài)真空度優(yōu)于5×10-9Torr，而在對撞區(qū)±14 m的范圍內(nèi)優(yōu)于1×10-9Torr；二是低耦合阻抗的要求，以便有效地控制束團長度，實現(xiàn)微包絡(luò)函數(shù)對撞。真空系統(tǒng)包含80根前室真空盒，120根直線段真空盒，152個RF屏蔽波紋管，175個光子吸收器，2個活動擋塊和16個固定擋塊，以及真空獲取和測量系統(tǒng)，包括離子泵、吸氣劑泵、鈦升華泵、真空閥門、熱陰極真空計、冷陰極真空計、殘余氣體分析儀等。應(yīng)對高流強、低耦合阻抗的挑戰(zhàn)，我們在正、負電子環(huán)弧區(qū)采用鋁合金帶有前室的真空盒結(jié)構(gòu)，同步輻射光從束流通道射入到真空盒的前室，并由那里的銅吸收器來吸收同步輻射光子，并在銅吸收器的附近安裝大抽速的真空泵；正電子真空盒內(nèi)表面鍍以氮化鈦薄層，以減小二次電子倍增系數(shù)，抑制電子云不穩(wěn)定性。為了減小束流阻抗，所有的真空盒部件必須做到盡可能光滑，對于各種真空部件都在研究和計算的基礎(chǔ)上仔細進行設(shè)計和制造，從而將耦合阻抗控制在預(yù)算的限度內(nèi)。

3.2.7 對撞區(qū)系統(tǒng)

BEPC已有隧道對撞區(qū)的長度約為±14 m，遠小于國際上B工廠的±40 m，如何在這樣短的距離使分別在兩個環(huán)內(nèi)回旋的正負電子束團交叉對撞，然后迅速將正負電子束團分開進入各自的儲存環(huán)，是BEPCII工程中的又一挑戰(zhàn)。BEPCII在采取大交叉角對撞的同時，提出了超導(dǎo)插入磁體、常溫切割型磁鐵、窄四極磁鐵和雙孔徑四極磁鐵對撞區(qū)創(chuàng)新性方案，在很短的距離內(nèi)實現(xiàn)正負電子束流的分離和高流強六維束流精確對撞。BEPCII對撞區(qū)安裝了多種特殊磁鐵，包括2臺超導(dǎo)插入磁鐵，2臺切割型彎轉(zhuǎn)磁鐵，4臺雙孔徑四極磁鐵，8臺窄型四極磁鐵，12臺對撞區(qū)二極校正磁鐵，以及對撞區(qū)特殊的真空盒。中國科學(xué)院高能物理研究所研制成功了常溫二合一結(jié)構(gòu)的切割型雙孔徑四極磁鐵，利用諧波墊補法有效降低因其結(jié)構(gòu)引發(fā)的高階磁場，解決了使用高電流密度引起的線圈水冷和過熱保護等一系列問題，并與美國BNL實驗室聯(lián)合設(shè)計研制了世界上最復(fù)雜的緊湊型對撞區(qū)超導(dǎo)插入磁體，深入到探測器的內(nèi)部接近對撞點僅0.6 m的位置，解決了微包絡(luò)聚焦和譜儀螺線管場的補償問題。

3.2.8 束流測量系統(tǒng)

束流測量系統(tǒng)由各種束流探頭、信號處理電子學(xué)、計算機及控制網(wǎng)絡(luò)等部分組成，提供精確、充分的束流和加速器的參數(shù)信息，用于提高注入效率、優(yōu)化束流光學(xué)參量和監(jiān)控束流行為等，進而提高束流性能和對撞亮度。BEPCII的大流強、多束團對束流測量系統(tǒng)提出了更高的要求，需要快速精確地監(jiān)測束流狀態(tài)，精確測量和控制每個束團的流強、閉軌，并抑制束流不穩(wěn)定性等，特別是對撞區(qū)束流軌道的測量尤為重要，需要準確地了解束團在對撞點的位置和夾角。針對這些特點和要求，BEPCII束流測量系統(tǒng)中增加了許多不同于BEPC的子系統(tǒng)，如對撞點束流位置反饋系統(tǒng)、多束團流強測量系統(tǒng)以及束流逐束團反饋系統(tǒng)等。而BEPC所使用的常規(guī)束流測量手段仍用于BEPCII，包括測量束流平均流強用的直流束流變壓器、工作點測量用條型電極和同步光傳輸光路結(jié)構(gòu)等。BEPCII的束測系統(tǒng)包括134個束流位置測量探頭（BPM）及其信號處理電子學(xué)和每環(huán)各一套的流強測量、束團流強測量、工作點測量、束流損失測量、同步光束流監(jiān)測系統(tǒng)和橫向與縱向束流反饋等子系統(tǒng)。其中，逐束團流強測量系統(tǒng)和橫向束流反饋系統(tǒng)是國內(nèi)首次研制，在高流強運行中發(fā)揮了重要作用。

3.2.9 控制系統(tǒng)

BEPCII控制系統(tǒng)的任務(wù)是，在中央控制室隨時掌握加速器的各種運行信息，通過人機接口裝置操縱磁鐵電源、高頻、真空、注入、束測、低溫和安全等系統(tǒng)設(shè)備，按照設(shè)計要求進行實時控制，實現(xiàn)正負電子束流的產(chǎn)生、輸運、注入、加速和調(diào)整等。這要求控制系統(tǒng)具有高可靠性和實時響應(yīng)速度，并提供友好的人機操作界面及信息綜合處理的能力。BEPCII控制系統(tǒng)應(yīng)對分布在注入器、儲存環(huán)和輸運線上的1900余臺各種設(shè)備進行測量和控制，系統(tǒng)中有20000個硬件通道，具有對各設(shè)備的監(jiān)測控制、加速器調(diào)束與運行的操控、友好的人機操作界面、以數(shù)據(jù)庫為核心的信息管理、設(shè)備及人身的安全聯(lián)鎖保護、定時同步觸發(fā)和計算機局域網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。BEPCII控制系統(tǒng)采用先進的實驗物理與工業(yè)控制系統(tǒng)（EPICS）的體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了與國際加速器控制系統(tǒng)的接軌。

3.2.10 低溫系統(tǒng)

BEPCII裝備了三組低溫超導(dǎo)設(shè)備，即2臺射頻超導(dǎo)腔、2臺超導(dǎo)插入四極磁體和1臺北京譜議BESIII超導(dǎo)螺線管磁體。BEPCII低溫系統(tǒng)的主要任務(wù)是為這三組低溫設(shè)備產(chǎn)生冷量（壓縮機、制冷機）、分配冷量（閥箱、傳輸管線）、儲備冷量（杜瓦、過冷器、熱交換器），為設(shè)備提供低溫環(huán)境。低溫系統(tǒng)的運行模式主要包括：預(yù)冷、制冷、液化、穩(wěn)定運行模式、復(fù)溫模式及各種安全保護，各運行模式的選擇及控制信號、狀態(tài)信號的監(jiān)測由不同功能的PLC控制模塊，VME 機箱及工控機完成。這是我國首次在大型加速器上裝備的低溫系統(tǒng)。

3.3 調(diào)束與運行

3.3.1 概述

BEPCII于2004年1月開工建設(shè)，2004年底完成直線加速器設(shè)備安裝和調(diào)束。為了滿足同步輻射用戶的迫切需求，BEPCII工程盡可能減少停機時間，在改造過程中插入同步輻射專用模式運行。2005年7月4日，在完成最后一輪同步輻射用戶實驗后，開始儲存環(huán)拆舊安新。2006年3月2日，儲存環(huán)開始設(shè)備安裝，9月儲存環(huán)隧道主體設(shè)備安裝完畢，開始系統(tǒng)間的聯(lián)合調(diào)試。當時，對撞區(qū)超導(dǎo)磁鐵的控制杜瓦和閥箱正在進行改造，為盡早向同步輻射用戶供光，決定采用對撞區(qū)常規(guī)磁鐵的備用方案，在2006年秋開始調(diào)束。這樣，BEPCII的調(diào)束分為三個階段：第一階段是基于對撞區(qū)常規(guī)磁鐵方案的調(diào)束；第二階段為基于對撞區(qū)超導(dǎo)磁鐵，即建成的加速器的調(diào)束；第三階段則是加速器與譜儀（BESIII）聯(lián)合調(diào)束與調(diào)試。每一個階段調(diào)束中，都要對正、負電子環(huán)和同步環(huán)三個環(huán)進行束流調(diào)試和性能優(yōu)化，且都要實施“一機兩用”，即同步輻射模式供光運行和高亮度對撞。2009年5月13日，BEPCII亮度達到3×1032cm-2s-1的驗收指標，即設(shè)計指標的下端。7月17日，BEPCII通過國家發(fā)展和改革委員會組織的工程驗收，正式投入運行。

BEPCII投入運行以來，在高質(zhì)量滿足高能物理取數(shù)和同步輻射用戶實驗的同時，不斷提高性能，在1.89 GeV最高峰值亮度達到7.08×1032cm-2s-1，為改造前BEPC同能量下峰值亮度的70倍。在運行中的最高日積分亮度也達29.35 pb-1，為BEPC時最高日積分亮度的80多倍。在2012年4—5月進行J/ψ實驗取數(shù)，峰值亮度達2.92×1032cm-2s-1，為BEPC在該能量下的60倍，在45天內(nèi)獲取了10.8億J/ψ事例，與BEPC兩個最好的運行年度獲取5800萬J/ψ事例相比，取數(shù)速率提高了124倍。

基于這些高質(zhì)量的大統(tǒng)計量數(shù)據(jù)，BESIII國際合作組在輕強子譜的研究、粲偶素的衰變等方面取得了重大的物理成果。BEPCII將在運行中繼續(xù)提高性能，朝著更高的亮度邁進。下面討論調(diào)束和運行相關(guān)的若干物理問題。

3.3.2 束流光學(xué)校正

儲存環(huán)上各磁鐵、電源和安裝準直誤差等都會引起實際的束流光學(xué)參數(shù)與理論設(shè)置值的差異，導(dǎo)致束流參量，如發(fā)射度、色品、耦合系數(shù)、對撞點截面尺寸等，發(fā)生較大偏差，從而影響束流性能和對撞亮度。BEPCII在水平工作點半整數(shù)附近工作，這些誤差將會直接造成束流的丟失。因此，束流全環(huán)光學(xué)參數(shù)的校正，是儲存環(huán)設(shè)計模式實現(xiàn)的體現(xiàn)，也是束流穩(wěn)定運行及對撞亮度提高的基礎(chǔ)。BEPCII儲存環(huán)束流參數(shù)校正基于軌道響應(yīng)矩陣的方法，采用LOCO程序進行。

式中，Mmod，ij和Mmeas，ij分別為第i個BPM與第j個閉軌校正磁鐵之間的理論模型和實際測量的響應(yīng)矩陣，σi為束流位置探頭方均根測量誤差。通過測量全環(huán)響應(yīng)矩陣，改變聚焦磁鐵強度和校正磁鐵強度，使||V||最小，即χ2最小化，得到全環(huán)各四極磁鐵強度和校正磁鐵強度的修正值，從而實現(xiàn)束流光學(xué)的校正。

3.3.3 束流軌道穩(wěn)定性與反饋

軌道穩(wěn)定性是高亮度對撞和高性能供光的重要條件，通常要求在一定時間內(nèi)水平或垂直方向的軌道峰峰值的變化好于該方向束團均方根尺寸的1/10。在BEPCII中，利用BPM束流軌道進行實時測量和實測的響應(yīng)矩陣，計算與原軌道的偏差以及校正回原軌道需要的校正磁鐵強度，最后對校正磁鐵電源實施在線控制，達到抑制軌道慢漂、提高束流軌道及光斑位置穩(wěn)定性的目標。

3.3.4 束團長度和耦合阻抗

束團長度控制，是實現(xiàn)BEPCII微包絡(luò)對撞和亮度提高的關(guān)鍵之一。采用條紋相機測量了不同流強下的束團長度。電子環(huán)中束團長度隨流強變化。在9.8 mA時束長約為1.58 cm，滿足βy*＝1.5 cm運行的要求。分析表明，束長拉伸主要是由于勢阱畸變效應(yīng)，而不是微波不穩(wěn)定性。

根據(jù)束長隨流強的變化曲線，可以得到耦合阻抗的值L=120 nH和|Z///n|0＝0.96 ?，約為理論計算值的4倍，分析原因主要是儲存環(huán)中未計入和新增加的部件的貢獻以及計算本身的局限。

3.3.5 多束團對撞和縱向振蕩

在第三階段調(diào)束中，采用條紋相機觀測到束團長度沿束團串的增長和亮度的下降，且伴有縱向四極振蕩。在示波器上的觀測證實了這一發(fā)現(xiàn)。對比正負電子環(huán)的真空部件的異同，發(fā)現(xiàn)正電子環(huán)上保留的原BEPC的兩個熒光靶是最大的懷疑點。計算研究表明，由于熒光靶兩端法蘭上沒有高頻屏蔽，在端面法蘭間存有約10 mm的縫隙，形成腔型結(jié)構(gòu)，俘獲頻率約為1.8 GHz的高次模，激起多束團縱向耦合振蕩。在拆除熒光靶后，正電子環(huán)中束流縱向振蕩如預(yù)期減弱，與電子環(huán)中相當，而相同流強下對撞亮度提高了約50%。

3.3.6 實驗本底和噪聲的研究

本底和噪聲是高能物理實驗中的重要問題，也是高亮度對撞機中普遍存在的國際難題。加速器中的束流和電磁場都會對譜儀中的探測器產(chǎn)生作用，引起實驗本底和噪聲干擾。

在儲存環(huán)的對撞區(qū)和弧區(qū)安裝了束流活動檔板，可以阻擋束團邊緣的粒子，避免打到探測器上產(chǎn)生本底。在調(diào)束和運行中，通過調(diào)整和優(yōu)化正負電子環(huán)活動擋板的位置，結(jié)合束流參量的優(yōu)化，有效地降低了BESIII探測器中的本底，同時減小了束流注入對探測器（特別是量能器的晶體）的損傷，滿足了高能物理實驗的要求。2010年12月的一次束流本底調(diào)試過程的例子，在各種束流條件下通過優(yōu)化上述一系列參量，使在內(nèi)層探測器的本底計數(shù)降低了約20%。從BESIII探測器推入對撞點后，漂移室在沒有加高壓的狀態(tài)下，噪聲的觸發(fā)率很高，特別是在加速器有束流時，徑跡觸發(fā)率有時超過105，使漂移室無法正常工作。為了尋找噪聲源、降低漂移室噪聲，對探測器和加速器的地線、加速器的電源等進行了全面的檢查和測試，并對加速器部件進行了屏蔽。采取這些措施后，漂移室的噪聲有了很大的改善，基本上解決了這個問題。但偶而仍有噪聲突然增大的情況，需要于噪聲源和影響漂移室的途徑做更深入的研究。

3.3.7 束-束作用和亮度優(yōu)化

束-束相互作用是對撞機中特有的重要作用，直接關(guān)系到亮度。束-束作用的數(shù)值模擬和對撞調(diào)試表明，水平工作點靠近半整數(shù)可獲得更高的亮度。

在同步加速器中，半整數(shù)是一條很強的參數(shù)共振線，微小的聚焦強度誤差，就會激起包絡(luò)函數(shù)值的急劇變化，造成束流丟失和實驗本底增大。在調(diào)束和運行中，通過對束流光學(xué)、閉軌、耦合和對撞點等參量的校正和優(yōu)化，實現(xiàn)了在水平工作點小數(shù)部分δνx≤0.51下的穩(wěn)定運行，使對撞亮度顯著提高。在δνx＝0.51下的亮度比設(shè)計值的δνx＝0.53提高約50%。

通過在調(diào)束和運行中的一系列研究，BEPCII的對撞亮度穩(wěn)步提高。

4 探測器

4.1 概述

對撞機上的譜儀采用各種粒子探測器的組合，測量粒子對撞后產(chǎn)生的次級粒子的能量、動量、質(zhì)量、位置等各種參數(shù)，以識別粒子，重建反應(yīng)過程，研究基本的物理規(guī)律。與BEPCII對撞機的高亮度相匹配，新建的北京譜儀BESIII須滿足多束團對撞和高計數(shù)率取數(shù)的要求，并大幅度減小探測器的系統(tǒng)誤差。按照BEPCII的科學(xué)目標，提出BESIII設(shè)計目標為以下幾個。

（1）在20 MeV至2.5 GeV的能量范圍內(nèi)，能精確測量光子的能量，具有很高的能量分辨率、位置分辨率和光子鑒別能力。

（2）能精確測量帶電粒子的動量與方向，即非常好的動量分辨率、頂點位置分辨率等。

（3）能很好地鑒別區(qū)分各種粒子，如光子、電子、μ子、質(zhì)子、π介子和K介子等。

（4）讀出電子學(xué)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)多束團模式和高數(shù)據(jù)率取數(shù)，并達到要求的測量精度。根據(jù)設(shè)計上述設(shè)計目標，確定BESIII由以下各子探測器的組成。

（1）單絲分辨優(yōu)于130 μm的小單元氦基氣體漂移室作為徑跡探測器。

（2）能量分辨率在1 GeV時好于2.5%的碘化銫晶體量能器。

（3）采用時間分辨率優(yōu)于100 ps的塑料閃爍探測器飛行時間系統(tǒng)作為粒子鑒別探測器。

（4）采用場強為1 T的超導(dǎo)螺線管磁鐵，提高粒子動量測量的精度。

（5）采用阻性板探測器μ子室。

（6）采用基于流水線技術(shù)的前端電子學(xué)以適應(yīng)多束團和高數(shù)據(jù)率的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和觸發(fā)系統(tǒng)。

由內(nèi)到外，譜儀中的探測器依次為主漂移室、飛行時間計數(shù)器、電磁量能器、超導(dǎo)磁體和μ子鑒別器。BESIII探測器的總重量為700多t，共有兩萬多個探測器單元、近4萬路讀出電子學(xué)。BESIII的性能指標可以看出，各子探測器的性能均達到或優(yōu)于其設(shè)計值。

4.2 主漂移室

主漂移室（MDC）是BESIII最內(nèi)層的探測器，用以測量末態(tài)帶電粒子的徑跡、動量，同時還通過測量能量損失（dE/dx）鑒別帶電粒子。漂移室要有大的立體覆蓋角，好的空間分辨（130 μm），高的動量分辨（＜0.5%@1 GeV/c）和較好的dE/dx分辨（6%～7%），要求對低動量徑跡有高的重建效率。此外漂移室還要能適應(yīng)BEPCII高亮度帶來的高計數(shù)率的工作環(huán)境。

漂移室采用國際首創(chuàng)的內(nèi)外室方案，內(nèi)室無外壁，外室無內(nèi)壁，在內(nèi)室受輻照性能下降時可以單獨更換內(nèi)室。漂移室內(nèi)采用低質(zhì)量的氦基混合氣體和鋁場絲，有效減小漂移室內(nèi)物質(zhì)量，提高對帶電粒子的動量分辨；采用類正方形小漂移單元結(jié)構(gòu)，適合在BEPCⅡ高亮度的條件下工作，可在有限的空間內(nèi)達到足夠的取樣次數(shù)；采用臺階型的端面板，適應(yīng)加速器對撞區(qū)部件安裝的要求，增大接收度。在漂移室中使用60%氦與40%丙烷混合的工作氣體，以減小多次散射、提高動量分辨，同時采用小單元結(jié)構(gòu)設(shè)計。漂移室共有6796根信號絲及信號讀出道。

在漂移室端板的研制中，克服了在一塊鋁板上鉆3萬多個孔要求定位誤差小于50 μm的難題，滿足了物理實驗的需求，也大大提高了國內(nèi)精密機工的水平；完成高精度的漂移室拉絲機和近3萬根絲的拉絲；研制成功國內(nèi)最大的最復(fù)雜的漂移室碳纖維筒體，能承擔(dān)周向2 t TOF探測器的壓力和軸向5 t的壓力，軸向的最大變形小于50 μm。探測器運行數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，MDC的主要性能優(yōu)于設(shè)計指標。

4.3 飛行時間探測器

飛行時間探測器（TOF）的主要功能是進行粒子鑒別，其能力大小主要由相同動量粒子的飛行時間差和飛行時間探測器的時間分辨率所決定，其中飛行時間探測器的本征時間分辨率是主要因素。飛行時間探測器置于主漂移室和晶體量能器之間，桶部采用雙層雙端讀出，每層由塑料閃爍體BC408在兩端直接耦合精細網(wǎng)型抗磁場光電倍增管R5924；端蓋采用扇型塑料閃爍體BC404，在小端垂直耦合光電倍增管。TOF桶部的接收度為0.82，端蓋接收度從0.85到0.95，基本上覆蓋了主漂移室和量能器的接收度。

TOF直接測量的信息包括原始飛行時間和電荷量。為了得到準確的飛行時間信息，還需要對時幅游動、過大信號、粒子在閃爍體上擊中位置、光在閃爍體中的傳播時間以及電纜的時間延時等因素進行刻度和修正，這些都需要在離線分析中進行。利用BESIII獲取的Bhabha事例樣本對TOF刻度進行重建檢驗，對Bhabha事例，重建后的TOF桶部桶部單端、單層和雙層時間分辨率分別為152、104和86 ps，優(yōu)于設(shè)計要求。通過改進重建和刻度方法，單層和雙層時間分辨率達到89和68 ps。

4.4 電磁量能器

量能器的功能是測量正負電子對撞后產(chǎn)生的次級粒子的能量。由于工作在低能量區(qū)，BESIII探測器中設(shè)計了電磁量能器（EMC）。BESIII電磁量能器由桶部和端蓋兩部分組成，共有6240塊碘化銫晶體探測單元組成，每塊晶體的長度為28 cm，即15個輻射長度，晶體總重量超過24 t。

BESIII的量能器是國內(nèi)自行設(shè)計、制作并安裝完成的，也是目前國際上在這一能區(qū)高能物理實驗探測器中性能最好的晶體電磁量能器之一。BESIII的量能器在國際上首次采用晶體后吊掛的創(chuàng)新方案，使晶體單元緊靠，除必要的反射層外最大地減少晶體之間的非靈敏材料，避免了傳統(tǒng)晶體量能器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的“死物質(zhì)”，提高了能量分辨率，簡化了機械結(jié)構(gòu)，大大節(jié)約了造價。量能器采用發(fā)光二極管-光纖光脈沖系統(tǒng)對每塊晶體定期檢測，可以跟蹤晶體受輻照損傷的變化和是否有硅光二極管與晶體粘接脫落的情況。利用晶體量能器的沉積能量信息和漂移室的動量及位置信息，通過模擬研究，對橫動量小于400 MeV的π/μ進行分辨，可達80%的鑒別度，填補了μ子探測器在該橫動量下π/μ鑒別的盲區(qū)。

4.5 μ子鑒別器

μ子鑒別器的主要功能是測量正負電子湮滅反應(yīng)末態(tài)中的μ子，測量它們的位置和飛行軌跡。BESIII的μ子鑒別器位于探測器的最外層，主要包括μ子探測器和強子吸收體，與內(nèi)層探測器測量的粒子徑跡相連接，可以精確測量μ子的動量，并與其他帶電粒子（尤其是π粒子）相區(qū)別。

BESIII的μ子鑒別器選用阻性平面板作為探測器。阻性板探測器由兩層2 mm厚的平行電極板組成，兩塊板之間由兩毫米厚的絕緣材料做成的圓形墊片分開。兩板之間的間隙里通過一定比例的混合氣體作為工作氣體。當粒子通過氣體室時，產(chǎn)生雪崩或流光信號，通過氣體室外的讀出條引出感應(yīng)信號。

氣體室是μ子鑒別器的關(guān)鍵部件，要求阻性板的阻抗、厚度、間隙以及所噴的石墨層均勻，并對其內(nèi)表面光潔度有很高的要求。在μ子鑒別器研制過程中，首創(chuàng)了無淋油阻性板探測器技術(shù)，解決了國際上長期存在的壽命與噪聲問題。

4.6 超導(dǎo)磁體

BESIII的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)提供1 T的恒定磁場，供主漂移室測量帶電粒子的動量。與BES采用的常規(guī)磁鐵相比，BESIII超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，技術(shù)上有所突破，整個系統(tǒng)包括超導(dǎo)線圈、低溫恒溫器、頸管和閥箱、電源和失超保護裝置、真空設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備等。超導(dǎo)磁體采用線圈內(nèi)繞和兩相氦冷卻的技術(shù)方案，并采用單層薄壁螺線管設(shè)計，減少了對粒子能量的吸收。超導(dǎo)線纜采用純鋁作為穩(wěn)定基體，有效地提高了液氦與超導(dǎo)線之間的導(dǎo)冷效率，降低熱阻和溫差。這是一臺國內(nèi)最大內(nèi)繞式單體超導(dǎo)磁體，磁體直徑3 m，長度3.5 m，線圈繞組為單層，共850匝，運行電流3368 A。

BESIII的各子探測器產(chǎn)生的信號，經(jīng)過相應(yīng)的電子學(xué)系統(tǒng)接收，并做一系列處理，由觸發(fā)系統(tǒng)進行快速事例選擇與控制，在高本底下判選出有用的物理事例，再由在線數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)讀取和儲存，提供物理學(xué)家離線開展數(shù)據(jù)處理和分析，最終得到物理結(jié)果。

5 主要物理成果

BEPCII自2008年開始運行以來，發(fā)揮高亮度對撞機和高性能探測器的優(yōu)勢，日均獲取的數(shù)據(jù)量較改造前提高約2個數(shù)量級。截止2013年底，BEPCII/BESIII共獲取了5億ψ（3680）事例、12億?/ψ事例、2.9 fb-1ψ（3770）事例以及3.3 fb-1質(zhì)心系能量4 GeV以上的事例，是目前在這些共振峰上世界上最大的數(shù)據(jù)樣本。由11個國家的50多所大學(xué)和研究機構(gòu)（其中中國29個單位）的近400名科學(xué)家組成的BESIII國際合作組是以我國為主的重大國際合作，在輕強子譜的研究、粲偶素的衰變等方面取得多項重大和重要的物理成果，發(fā)表了“首次發(fā)現(xiàn)帶電類粲偶素Zc（3900）”等一批重要物理成果，2010年以來共發(fā)表學(xué)術(shù)論文53篇（其中：《Physical Review Letters》上13篇，《Physical Review D》上37篇，《Chinese Physics C》上3篇），在國際會議上報告北京譜儀實驗物理結(jié)果約100次，其中大會特邀報告46個。BESIII的豐碩物理成果進一步鞏固和發(fā)展了我國在粲物理研究的國際領(lǐng)先優(yōu)勢，得到了國際高能物理界的高的評價。作為例子，下面著重介紹Zc（3900）等3項物理成果。

5.1 發(fā)現(xiàn)新的共振結(jié)構(gòu)Zc（3900）

北京譜儀III實驗國際合作組2013年3月26日宣布，在采集的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一個新的共振結(jié)構(gòu)，暫時命名為Zc（3900）。

粲偶素含有粲夸克和反粲夸克，都是電中性的，不帶電荷。而BESIII發(fā)現(xiàn)的Zc（3900）也含有粲夸克和反粲夸克，卻又攜帶與電子相同或相反的電荷，表明其中至少含有4個夸克，可能是科學(xué)家們長期尋找的一種奇特強子。

研究表明，此次發(fā)現(xiàn)的Zc（3900）質(zhì)量比一個氦原子略大，壽命很短，在10-23s內(nèi)即衰變?yōu)橐?個帶電π粒子和一個J/ψ粒子。這一性質(zhì)與普通介子態(tài)完全不同。雖然其自旋和宇稱量子數(shù)、其他衰變和產(chǎn)生模式等性質(zhì)仍然未知，但卻提供了奇特強子態(tài)存在的有力證據(jù)，對于定量的理解強子是如何由夸克組成的、檢驗強相互作用理論具有重要意義。實驗組將以Zc（3900）這個奇特共振結(jié)構(gòu)的研究為突破口，在積累大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，全面理解近年來發(fā)現(xiàn)的一系列新的粲偶素或類粲偶素粒子，并確認奇特強子的存在。

Zc（3900）的發(fā)現(xiàn)得到國際高能物理界的高度關(guān)注和評價。著名強子物理學(xué)家艾里克·斯瓦森教授在美國《Physics》雜志上發(fā)表題為“新粒子暗示存在四夸克物質(zhì)”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(zhì)的研究就需要擴展到新的領(lǐng)域”。《Nature》雜志發(fā)表了題為“夸克‘四重奏’開啟物質(zhì)世界新視野”的報道，稱“找到一個四夸克構(gòu)成的粒子將意味著宇宙中存在奇特態(tài)物質(zhì)”。美國《Physics》雜志發(fā)布的2013年國際物理領(lǐng)域的11項重要成果中，“四夸克物質(zhì)”列在第一項。

5.2 驗證X（1835）并觀測到新粒子

2003年北京譜儀II（BESII）實驗在過程中，發(fā)現(xiàn)在質(zhì)子-反質(zhì)子的質(zhì)量閾附近有反常增強，分析可能是一個質(zhì)量略低于正反質(zhì)子質(zhì)量閾的短壽命共振態(tài)粒子。這一發(fā)現(xiàn)引起了國際高能物理的廣泛關(guān)注，認為此結(jié)構(gòu)有可能是高能物理實驗長期尋找的質(zhì)子-反質(zhì)子束縛態(tài)。BESIII利用其所采集的高統(tǒng) 計、高質(zhì)量的J/ψ數(shù)據(jù)，對作了進一步的分析，確認了質(zhì)子-反質(zhì)子質(zhì)量閾增長結(jié)構(gòu)的存在，并首次確定它是一個贗標量粒子，其自旋和宇稱為0-，為從理論上解釋此共振態(tài)的性質(zhì)及其分類提供了關(guān)鍵證據(jù)。

在尋找該增長結(jié)構(gòu)的其他衰變模式的深入研究中，BESII在J/ψ→γπ+π-η′中發(fā)現(xiàn)一個新粒子X（1835）。該結(jié)果發(fā)表之后，許多物理學(xué)家對它的基本結(jié)構(gòu)進行了各種理論解釋。BESIII實驗在J/ψ→γπ+π-η′不僅證實了X（1835）新粒子的存在，同時還觀測到兩個新粒子X（2120）和X（2370），受到高能物理界的高度重視。由于格點量子色動力學(xué)計算得到的贗標量膠球的質(zhì)量就在2.3 GeV/c2附近，有人認為它們是膠球的可能性較大。是否能在J/ψ強衰變中觀測到X（1835），X（2120）和X（2370），對于理解它們是膠球與否十分重要。BEII實驗分析了J/ψ→ωπ+π-η，沒有觀測到X（1835），X（2120）和X（2370）等粒子，但在1.87 GeV/c2觀測到一個新粒子X（1870），統(tǒng)計顯著性大于7.2 σ。X（1870）的質(zhì)量比X（1835）質(zhì)量略大，而且寬度較窄，尚不能確定它們是否是同一共振態(tài)。對于X（1870）的性質(zhì)，還有待進一步研究。

5.3 首次觀測到同位旋破壞過程η（1405）→f0（980）π

BESIII實驗在J/ψ→γ3π衰變過程，觀測到很強的同位旋破壞過程η（1405）→f0（980）π，并且發(fā)現(xiàn)f0（980）的寬度非常窄，遠小于粒子數(shù)據(jù)表上的值。通常，在強衰變中同位旋破壞的幅度小于1%，在0.1%的量級，而在η（1405）→ f0（980）π的過程中，

這一結(jié)果為理解長期困擾的“η（1405）和η（1475）究竟是一個粒子還是兩個粒子”的問題，提供了重要的實驗信息，對于理解贗標量介子譜具有重要的物理意義。

在開展高能物理實驗的同時，BEPCII以兼用和專用的方式為用戶提供高性能的同步輻射光。截止2013年底，BEPCII/BSRF為國內(nèi)24個省市131個及國外17個研究機構(gòu)的用戶提供了14輪專用光，總供束時間達11223 h，用戶課題總數(shù)3170個。自2010年3月起，高能物理實驗同時向包括扭擺磁鐵在內(nèi)的6條束線以兼用模式供光，平均每束線供光3257 h。2006年以來，用戶共發(fā)表論文1317篇，其中一區(qū)論文117篇，《Nature》2篇，《Science》1篇，《Nature》和《Cell》子刊19篇，《PNAS》5篇。清華大學(xué)課題組依托BSRF開展與糖尿病和肥胖癥相關(guān)的蛋白質(zhì)激酶研究，揭示了其工作原理。上海交通大學(xué)血液研究所與BSRF合作，成功揭示了As2O3（砒霜）治療急性早幼粒細胞性白血病的分子機理。

6 總結(jié)與展望

經(jīng)過幾代人的努力，從早期高能加速器方案到BEPC，再到BEPCII，我國的高能物理實驗基地的建設(shè)和粒子物理實驗研究走過了艱辛而光榮的歷程，在國際高能物理領(lǐng)域占據(jù)了一席之地，BEPCII的成功建設(shè)和高性能運行保持和發(fā)展了我國在粲能區(qū)研究的國際領(lǐng)先地位。

BEPCII/BESIII將在今后8～10年間取得更多物理成果，實現(xiàn)并擴展其科學(xué)目標。BESIII計劃獲取100億J/ψ事例、30億ψ（3680）事例、20 fb-1的ψ（3770）事例和（5～10）fb-1的高能區(qū)粲偶素事例，約分別為BESIII之前國際上擁有的相應(yīng)數(shù)據(jù)總量的170倍、100倍、20倍和8～16倍，是BESIII在過去4年里采集的相應(yīng)數(shù)據(jù)的8倍、6倍、7倍和2～4倍，并計劃進行τ質(zhì)量和R-值的精確測量。這就要求加速器繼續(xù)提高峰值亮度和積分亮度，探測器不斷改進性能、提高測量精度，共同提高取數(shù)效率。

國際上粒子工廠型對撞機，從建成到達到亮度設(shè)計指標，都經(jīng)歷了加速器調(diào)束、參數(shù)調(diào)整、提高對撞流強和繼續(xù)改造硬件設(shè)備等過程，逐步提高對撞亮度。BEPCII將采取各種措施，提高束束作用參數(shù)（水平工作點進一步靠近半整數(shù)、調(diào)整垂直方向工作點、優(yōu)化發(fā)射度及耦合參數(shù)等），提高單束團流強（提高特征亮度、抑制束團尺寸增加等），提高總對撞流強（改進高頻系統(tǒng)、優(yōu)化逐束團反饋和增加束團數(shù)目等）和減小對撞點垂直包絡(luò)函數(shù)（改進動力學(xué)孔徑和壓縮束團長度等）等，使峰值亮度逐步達到以致超過1×1033cm-2s-1的設(shè)計目標，并按照“一機兩用”的原則，實現(xiàn)在高能物理和同步輻射中的高效率恒流運行，為用戶提供更通量和更高亮度的同步輻射光。與此同時，BESIII探測器也將加強維護、提高性能，并針對加速器亮度提高實施探測器進行升級與改進的計劃。

BEPCII/BESIII作為世界上唯一運行在粲能區(qū)的強子工廠，系統(tǒng)開展輕強子譜的深入研究，預(yù)期在多夸克態(tài)、膠球、混雜態(tài)的尋找和研究上有所突破，對BES和其他實驗已發(fā)現(xiàn)的一些新的共振態(tài)進行系統(tǒng)的研究，確定其性質(zhì)；系統(tǒng)研究粲偶素和類粲偶素能譜，J/ψ，ψ（3680），χcJ，ηc（2S），hc等粲偶素的產(chǎn)生和衰變性質(zhì)；研究類粲偶素粒子的性質(zhì)，尋找含粲夸克的奇特介子態(tài)；尋找和研究新的重子激發(fā)態(tài)；精確測量CKM矩陣元；尋找和測量ψ（3770）到非DD—的衰變模式，確定其分支比；把此能區(qū)R值的測量精度提高到1%～2%，探索新的物理現(xiàn)象和新規(guī)律等。發(fā)揮BEPCII/BESIII在粲能區(qū)具有的獨特優(yōu)勢，有望在以上前沿領(lǐng)域有所突破，并對BESII和其他實驗已發(fā)現(xiàn)的一些新的共振態(tài)進行系統(tǒng)的研究，取得具有世界領(lǐng)先水平的重大物理成果，并為粲能區(qū)非微擾量子色動力學(xué)和弱電相互作用的研究以及新物理的尋找提供重大的發(fā)展機遇。在未來的5～10年里，中國科學(xué)院高能物理研究所將基于BEPCII/BESIII，繼續(xù)加國內(nèi)外合作，建設(shè)一個國際領(lǐng)先的粲物理實驗研究中心。

致謝BEPCII是國家在“十·五”期間投資建設(shè)的重大科學(xué)工程，上千名科研工程技術(shù)人員參加了工程的設(shè)計研究和調(diào)試運行，上百家科研院所、高等院校和工廠企業(yè)參與了工程建設(shè)。BEPCII建成后，由來自11個國家約350名科學(xué)家組成的BESIII國際合作組在BEPCII上開展高能物理實驗研究。本文是BEPCII和BESIII團隊集體工作成果的綜述。作者謹代表工程指揮部衷心感謝BEPCII團隊和BESIII國際合作組對本項目做出的卓越貢獻。