北京正負電子對撞機

劉辛味

31年前，在北京八寶山東麓，我國第一臺大科學裝置——北京正負電子對撞機（BEPC）建成。它由長202米的直線加速器、輸運線、周長240米的圓形加速器（也稱儲存環(huán)）、高6米重650噸的北京譜儀和圍繞儲存環(huán)的同步輻射實驗裝置等幾部分組成，外形像一只碩大的羽毛球拍。

到底什么是對撞機？這個坐落在地下的龐然大物到底是做什么的？科學家用它發(fā)現了什么？

在中國科學院第十七次院士大會、中國工程院第十二次院士大會上，習近平總書記強調：“要高度重視原始性專業(yè)基礎理論突破，加強科學基礎設施建設，保證基礎性、系統性、前沿性技術研究和技術研發(fā)持續(xù)推進，強化自主創(chuàng)新成果的源頭供給。要積極主動整合和利用好全球創(chuàng)新資源，從我國現實需求、發(fā)展需求出發(fā)，有選擇、有重點地參加國際大科學裝置和科研基地及其中心建設和利用。”

北京正負電子對撞機正是進行基礎科學研究的大型科學裝置，也許你對北京正負電子對撞機還不算了然，但它的提出、建成、升級，每一個過程都代表著我國高能物理的一步步發(fā)展，對人類了解世界的構成更是做出了杰出貢獻。

命途多舛的中國加速器

上個世紀50年代初，美、蘇、歐等少數工業(yè)發(fā)達國家和地區(qū)開始大力籌建高能加速器。雖然當時我國在高能物理領域與國際先進水平有很大差距，但仍希望有自己的加速器。1956年制定的《科學發(fā)展十二年遠景規(guī)劃》就提出“制造適當的高能加速器”的構想。然而從提出構想，到真正建設成北京正負電子對撞機，我國加速器的建成經歷了頗為波折的命運。

“從一九五六年起，高能物理工作，五起五落……高能物理實驗幾乎一片空白，高能物理研究則全是依靠外國的實驗數據……”1972年9月，由張文裕、朱洪元、謝家麟、何祚庥等18位科學家聯名上書中央的信中寫道。

70年代末，我國的高能物理研究有了長足發(fā)展。隨著“派出去，引進來”，我國與歐洲核子中心建立了頻繁有序的科技交流，尋求到了部分技術和設備的支持;鄧小平訪美期間簽署了中美兩國在高能物理方面進行合作的協定;在李政道的大力撮合下，第一次中美高能物理聯合委員會在北京召開。還有之前建成的預制研究基地、6個實驗大廳以及10GeV質子直線加速器，為后面的研制打下了基礎。

因為有過經費的困難，此時，我國物理學家提出，能否制造一個規(guī)模小、便宜，但同樣能做出好的物理成果的加速器？

爭議聲中的建造

要了解到底建一個什么樣的加速器，還有必要了解一下當時世界粒子物理學的發(fā)展狀況。

到上世紀60年代，物理學家已經發(fā)現了100多種粒子，他們考慮能否把這些粒子像元素周期表一樣歸類。1962年，美國物理學家蓋爾曼發(fā)明了一種方法，可以為這些粒子（強子）歸類，并且通過這種方法又預言了一個新粒子Ω-超子。美國布魯克海文國家實驗室的交變梯度同步加速器（AGS）驗證了他的預言。接下來，他進一步設想原子核內的質子，是由更基本的3種粒子——夸克組成。夸克模型的成功讓蓋爾曼獲得了1969年諾貝爾獎。雖然夸克模型并不是描述這些粒子相互作用的完整理論，但為基礎物理研究開啟了新的一頁。

1974年，在布魯克海文實驗室工作的丁肇中團隊，利用質子打鈹靶，發(fā)現了一個新粒子，他命名為J粒子。

幾乎同時，里克特用斯坦福直線加速器（SLAC）也發(fā)現了這個粒子，他命名為Ψ，因此這個粒子被稱為J/Ψ。后來實驗證明，這個粒子是由一對正反粲夸克組成的束縛態(tài)。兩人的發(fā)現在物理學史中被稱為“十一月”革命，人類對粒子的基本結構又有了新的認識，而與粲夸克相關的問題，所謂粲物理還在等待科學家發(fā)現。

“當時在那個能區(qū)（粒子能量的區(qū)域）有很好的物理工作，但針對這一能區(qū)的加速器性能都不太好?！敝袊茖W院高能物理研究所研究員張闖回憶說。

中科院在1981年提出建造一臺2X2.2GeV的正負電子對撞機，目標產生更多J/Ψ粒子，讓我國進入高能物理的前沿研究。選擇這一能區(qū)建造加速器，是經過了當時國內專家與李政道、吳健雄、袁家騮以及美國加速器專家潘諾夫斯基等人多次深入、反復論證得出的結果，而北京正負電子對撞機的立項也經過漫長磨合的過程。

BEPC 外形像一個巨大的羽毛球拍，球拍的“把”是一臺長202 米的正負電子直線加速器。電子槍發(fā)射出的電子在加速管中不斷得到加速，一部分電子束在轟擊鎢靶后產生正負電子束，正負電子束通過輸運線注入周長為240 米的球拍“框”——儲存環(huán)中，不斷地積累、儲存、加速、對撞。

其實，從1980年年底高能所開始討論加速器方案時就有很大分歧。比如，用質子還是電子？我國有一定制造質子加速器的經驗，而且用質子打靜止靶也會發(fā)現更多的粒子，有更好的物理意義。但無論是成本還是建設難度對當時我國情況提出了極大的挑戰(zhàn)。

即使這個電子對撞的方案有眾多優(yōu)勢，也仍然遭到了反對：連靜止打靶加速器都沒完全做出來，一步登天造對撞機，我們行嗎？“物理窗口”（指粲物理領域需要深入研究的空白領域）在對撞機建成后還有嗎？能否實現長期穩(wěn)定運行，一機兩用？

1983年4月，經國務院批準，北京正負電子對撞機（BEPC）方案上馬，計劃4年完成。12月，黨中央、國務院將其列入國家重點工程項目，代號8312工程。

終于順利運行

匯集全國力量，BEPC開工了。隨著磁鐵、高頻機、調速管、調制器等高難度專用設備試制成功，所有人對其建成更有信心。但依然存在很多問題，能否按期完成？建成后能否達到預期目標？能否實現穩(wěn)定運行？隨著工程竣工，在1988年10月16日首次實現正負電子對撞，成功達到設計預期亮度（指對撞機主要性能）后，這些問題得到了完美的答案。北京正負電子對撞機成為J/Ψ粒子能區(qū)性能最好的加速器。

“我有個夢想，做中國自己的加速器。”39年前，張闖第一次出國，在費米國家實驗室樓頂俯瞰6公里長的加速器，感慨中國什么時候有自己的高能加速器，這次他圓夢了。

無論是加速器建設，還是讓它穩(wěn)定運行，我國的科研工作者付出了常人難以想象的艱辛。他們白天用穿孔紙帶計算數據，晚上值班擔心突如其來的電話，由數十萬組件集合而成的大科學裝置，任何一個小元件的損壞故障都會使BEPC停運。BEPC最初有近30%的時間花費在設備維護上，經過3年的努力把故障率降到5%以下，平穩(wěn)運行至今。

BEPC外形像一個巨大的羽毛球拍，球拍的“把”是一臺長202米的正負電子直線加速器。電子槍發(fā)射出的電子在加速管中不斷得到加速，一部分電子束在轟擊鎢靶后產生正負電子束，正負電子束通過輸運線注入周長為240米的球拍“框”——儲存環(huán)中，不斷地積累、儲存、加速、對撞。球拍的正頂部是對撞點，這里有一臺探測器，是北京正負電子對撞機同時建造的大科學裝置北京譜儀（BES），電子發(fā)生了什么會在這里檢測出來。而在環(huán)線的切線方向，安放了同步輻射裝置（BSRF），實驗室能開展同步輻射相關的實驗。北京正負電子對撞機，真正做到了“一機兩用”。

一用是粒子對撞，二用就是同步輻射。同步輻射就是帶電粒子接近光速時，若在電磁場中偏轉，就會沿切線方向發(fā)射出一種電磁輻射，像下雨天旋轉雨傘，水滴會從傘的邊緣飛射出去一樣。這種電子的自發(fā)輻射，成為探究原子、分子水平世界的有力工具，在生命科學、材料科學、凝聚態(tài)物理、環(huán)境科學等領域發(fā)揮重要作用。

做出了自己特色的成果

BEPC運行后，獲得了哪些成果？上世紀90年代初國內還沒有互聯網，北京正負電子對撞機工程進入了實驗數據分析階段，由于中美國際合作需要建立一條Internet專線來傳輸實驗數據以及各種信息，就這樣在高能所架設了第一臺服務器，我國第一個WWW網站就此誕生。其實，這不過是大科學工程附帶的好處之一。由于BEPC的建造成功，美國斯坦福電子直線加速器上的MARK3探測器停止運行，部分人員參加到中國的對撞機上工作，成立了北京譜儀合作組。

在BEPC運行之初，科學家就把能量放在了產生J/Ψ粒子的能區(qū)上，尋求更多的數據以便對這種粒子進行物理分析。90年代初，國際高能物理學界發(fā)現了新問題，實驗測出的τ輕子質量與相關的理論不符。這是一個很大的理論挑戰(zhàn)，如果實驗測量正確，意味著公認的輕子普適性原理被破壞，可能出現新的物理理論。另一種可能則是實驗測出的質量不準。

1992年，BEPC給出了τ輕子質量的精準測量，精度比原來提高了10倍，原來的結果有較大的偏差。標準模型并沒有倒塌。更新了粒子物理學數據權威《粒子物理手冊》（PDG），被認為是當年國際最好的粒子物理成果。

張闖說：“τ輕子質量測量只是當時影響力最大的成果之一?！睂嶋H上在粲物理能區(qū)，對粲偶素、粲介子的研究如同打開了一座寶庫，至今更新了PDG中的800余項數據。另一項影響力較大的是R值（強子產生截面，表征單位亮度的對撞機在單位時間產生粒子的概率）測量。減小R值測量誤差的實驗結果，對于尋找希格斯粒子（上帝粒子）有重要作用。得出的結果更新了希格斯粒子的質量下限，證實了當時國際最強的加速器都無法產生希格斯粒子。BEPC并不是沒有競爭對手，2000年美國康奈爾大學正負電子對撞機CESR降能至粲物理能區(qū)，并且提出了改造方案——要比BEPC設計亮度還要高的CESRc。中國最終接受挑戰(zhàn)，提出重大改造升級BEPC II。建成后的BEPC II，亮度為CESRs的14倍以上，成為國際上最先進的雙環(huán)對撞機之一，繼續(xù)保持在粲物理領域國際領先的地位。同時北京譜儀改造成性能世界一流的探測器，BES III。

“我們期待來自BES III的一系列重要物理發(fā)現?！眮碜钥的螤柕馁囁菇淌谠诎l(fā)給高能所的賀信中說。升級后的第三代北京譜儀（BES III）發(fā)現了新的“四夸克物質”，在2013年美國《物理》雜志公布的11項重要成果中位列第一。

同步輻射裝置也碩果累累，目前每年接待100多個單位進行500余項實驗。SARS病毒的主蛋白酶結構，以及與藥物靶分子作用，就是在BSRF生物大分子站開展的，為抗擊SARS病毒提供了重要信息。

另外，古生物學家還利用北京同步輻射裝置對一塊琥珀進行了無損成像，得到了隱藏在琥珀中的恐龍尾部椎骨的高質量投影圖像，進而構建出恐龍尾部的高清3D形態(tài)，憑借此技術，人類有史以來第一次在琥珀中發(fā)現恐龍化石……

這些學術成果，正印證著我國科研從跟跑到并跑，到今天部分領域領跑的發(fā)展狀況。

另外，不得不提的是，BEPC的建設對各種加速器、同步輻射裝置起到了奠基作用，推動了我國工業(yè)發(fā)展。成都飛機工業(yè)集團承擔BEPC II工程中北京譜儀III漂移室室體的研制，通過合作，成飛集團精密機械加工技術水平提高了10倍，促進了其自身產品的技術進步。

BEPC目前還沒有做出諾貝爾獎級的工作，高能所前副所長李衛(wèi)國研究員承認，做出世界級成果很有難度，國際上的熱點也在高能量區(qū)。BES，在粲能區(qū)有豐富的發(fā)現和潛力，想研究粲物理，就來BEPC。

北京正負電子對撞機的建設、運行、成果，真正實現了“中國必須發(fā)展自己的高科技，在世界高科技領域占有一席之地”。

◎ 來源|北京科技報