中國(guó)首臺(tái)高能加速器的華麗變身

最近，這個(gè)讓國(guó)人驕傲并被寫(xiě)進(jìn)歷史的大科學(xué)裝置，再度笑傲江湖。不過(guò)這一次亮相的是它的“升級(jí)版”。

2009年，歷時(shí)5年、耗資6.4億元，BEPc實(shí)現(xiàn)華麗變身，經(jīng)過(guò)重大改造工程升級(jí)為BEPcII。BEPcII建成并開(kāi)始為用戶供束時(shí)，整體性能已經(jīng)提高至原先BEPc的30多倍，是這個(gè)能量區(qū)域里美國(guó)康奈爾大學(xué)的加速器cEsRc曾創(chuàng)下的世界紀(jì)錄的4倍多。2016年4月，在BEPcII的設(shè)計(jì)能量下，峰值對(duì)撞亮度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，為原BEPc的100倍，再創(chuàng)此能區(qū)對(duì)撞亮度的世界紀(jì)錄。

今年1月，這項(xiàng)重大改造工程獲得了2016年度國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。中國(guó)高能物理領(lǐng)域引領(lǐng)國(guó)際科技前沿的利器實(shí)至名歸。

國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)：沒(méi)有硝煙的戰(zhàn)場(chǎng)

1989年，BEPc剛開(kāi)始運(yùn)行不久。那時(shí)，現(xiàn)任高能物理所副所長(zhǎng)的秦慶還是一名研究生。在BEPc項(xiàng)目經(jīng)理、中國(guó)科學(xué)院院士方守賢的建議下，秦慶參加了BEPc的運(yùn)行與改進(jìn)、提高工作。沒(méi)想到，此后的28年里，秦慶的高能物理生涯與這個(gè)大科學(xué)裝置難解難分?！拔业墓ぷ髦骶€就是BEPc，以及此后重大改造項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造、調(diào)束和運(yùn)行?！鼻貞c介紹說(shuō)。

當(dāng)時(shí)，為了幫助年輕科學(xué)家深度參與對(duì)撞機(jī)國(guó)際前沿，高能物理所將年輕科學(xué)工作者派到各個(gè)國(guó)家的頂級(jí)對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行交流學(xué)習(xí)。秦慶被派去歐洲核子研究中心參加大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的設(shè)計(jì)研究工作。后來(lái)又被派往美國(guó)康奈爾大學(xué)威爾遜實(shí)驗(yàn)室，那里有美國(guó)著名的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)cEsR。

BEPC和降低能量至粲能區(qū)運(yùn)行的CESR，即CESRc一度成為了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。1988年，BEPC建成后在粲能區(qū)一直是性能在國(guó)際上領(lǐng)先的對(duì)撞機(jī)，取得了諸如陶輕子質(zhì)量精確測(cè)量、R值測(cè)量和新粒子x（1835）的發(fā)現(xiàn)等舉世矚目的物理成果。為了在粲能區(qū)爭(zhēng)奪物理成果，CESR從2000年起就著手轉(zhuǎn)入粲能區(qū)的研究，提出了CESRc/CLEOc的計(jì)劃，把束流能量從原來(lái)的5.6GeV降低到1.55～2.5GeV運(yùn)行，它的降低能量運(yùn)行，將全面超越BEPC及最初提出的BEPC升級(jí)改造目標(biāo)。

從2004年開(kāi)始，BEPC的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)已讓位于美國(guó)康奈爾大學(xué)的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)CESRc。

其實(shí)，早在1998年，BEPC就提出了改造方案。但CESR改造成CEGRc后，其設(shè)計(jì)對(duì)撞亮度比最初BEPC提出的改造方案的亮度還要高。“在此情況下，我們就算是建成了也沒(méi)有意義。于是我們修改了方案，將原先的單環(huán)對(duì)撞方案改成雙環(huán)方案，并追加一定的投資?！鼻貞c說(shuō)。

極限挑戰(zhàn)：設(shè)備性能發(fā)揮極致

方案的改變，意味著難度的增加?！癇EPC改造的難度，比當(dāng)初建造時(shí)的難度要大得多?！盉EPC重大改造工程的第一完成人、項(xiàng)目經(jīng)理、中國(guó)科學(xué)院院士陳和生不禁感慨。

難度究竟有多大，每位參與者都有切身體會(huì)。中科院高能所研究員，現(xiàn)任加速器物理組組長(zhǎng)及對(duì)撞機(jī)亮度調(diào)試負(fù)責(zé)人于程輝就是其中之一。他參加了BEPCII前期的物理方案設(shè)計(jì)，中期的設(shè)備安裝和調(diào)試，以及后期整個(gè)機(jī)器的集成和性能優(yōu)化。

“當(dāng)時(shí)的壓力是我們不僅是要升級(jí)自己，而且還要?jiǎng)俪鰧?duì)方?！庇诔梯x心里明白，在同一個(gè)能區(qū)的高能物理領(lǐng)域，兩個(gè)同樣的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)是無(wú)法共存的，只能是一個(gè)最好的生存下來(lái)。

在于程輝的印象中，2012年左右，BEPCII的調(diào)束和運(yùn)行遭遇過(guò)一個(gè)“大坎”?！爱?dāng)時(shí)，我們反復(fù)對(duì)束束作用參數(shù)調(diào)試了兩年多，卻一直沒(méi)能實(shí)現(xiàn)理論預(yù)期，那個(gè)時(shí)候真是挺擔(dān)心的?！庇诔梯x說(shuō)。

此后他們對(duì)物理方案進(jìn)行重新的改進(jìn)優(yōu)化，而新方案有效地讓加速器實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的物理目標(biāo)?！暗?013年時(shí)我們心里就有底了。從那時(shí)起直到2016年，我們一直在挑戰(zhàn)硬件極限，努力把每一個(gè)設(shè)備都調(diào)整到最佳狀態(tài)。”于程輝說(shuō)。

最終，BEPCII突破了雙環(huán)對(duì)撞機(jī)設(shè)計(jì)與建造的難關(guān)，攻克系列核心關(guān)鍵技術(shù)，使BEPCII總體性能在粲能區(qū)國(guó)際領(lǐng)先，對(duì)撞亮度達(dá)到競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手CESRc所達(dá)到的亮度的10倍以上。

“科學(xué)無(wú)國(guó)界，但科學(xué)成果有國(guó)界。如今，在與美國(guó)康奈爾大學(xué)的高能物理競(jìng)爭(zhēng)中，無(wú)論是對(duì)撞機(jī)性能指標(biāo)，還是對(duì)撞機(jī)取得的物理成果，我們都勝出了?！庇诔梯x感嘆。

不僅如此，北京譜儀BE8III的總體性能也達(dá)到了國(guó)際最好水平。BEPCII不僅實(shí)現(xiàn)了高效運(yùn)行，還實(shí)現(xiàn)了全能量注入和高能物理實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行的同步輻射兼用模式運(yùn)行。

往事回首：心情像坐“過(guò)山車(chē)”

過(guò)去的那些年里，于程輝時(shí)刻惦記著B(niǎo)EPCII的運(yùn)行狀態(tài)，特別是在調(diào)束初期腦子里一直轉(zhuǎn)著的都是對(duì)撞機(jī)的事情。每當(dāng)調(diào)束遇到障礙時(shí)，都細(xì)細(xì)地把每個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)捋一遍，生怕有一點(diǎn)疏漏。

“無(wú)論哪個(gè)環(huán)節(jié)有紕漏，造成的影響都是嚴(yán)重的。萬(wàn)一真的出了致命問(wèn)題，影響的是整個(gè)裝置的性能?！庇诔梯x說(shuō)。

直到最終BEPCII達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，于程輝才徹底松了一口氣：“在那之前，真不是怕對(duì)不起自己，怕對(duì)不起國(guó)家，對(duì)不起身邊的同事，我們自己設(shè)計(jì)了對(duì)撞機(jī)，就得說(shuō)到做到??！”

這樣的想法和壓力，并不只是于程輝才有。參與項(xiàng)目的科研人員，情緒像做“過(guò)山車(chē)”一般，每天的喜怒哀樂(lè)都被BEPCII項(xiàng)目進(jìn)展?fàn)拷O著。

“看見(jiàn)第一團(tuán)束流注入進(jìn)儲(chǔ)存環(huán)的時(shí)候，對(duì)撞亮度一次次提高的時(shí)候，獲得重大的高能物理成果的時(shí)候，我們都非常非常開(kāi)心，就跟我們自己的孩子取得好成績(jī)一樣。但是如果遇到問(wèn)題，比方說(shuō)丟束流、撞不好，或者說(shuō)出了故障而用戶在等，物理要求的進(jìn)度在催的時(shí)候，我們又都非常非常沮喪。”秦慶說(shuō)。

令所有項(xiàng)目組成員都欣慰的是，自2008年BEPCII開(kāi)始運(yùn)行以來(lái)，其高亮度對(duì)撞機(jī)和高性能探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)得到了充分發(fā)揮，日均獲取的數(shù)據(jù)量較改造前提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。由11個(gè)國(guó)家的50多所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的400余名科學(xué)家組成的BESIII國(guó)際合作組也是“以我為主”的重大國(guó)際合作組，在輕強(qiáng)子譜的研究、粲偶素的衰變等方面取得多項(xiàng)重大和重要物理成果，獲得了如“首次發(fā)現(xiàn)帶電類(lèi)粲偶素zc（3900）”等一批重要物理成果。

不過(guò)，有趣的是，在得知項(xiàng)目獲得國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)時(shí)，于程輝反倒淡薄起來(lái)：“國(guó)家科技獎(jiǎng)勵(lì)是對(duì)我們的認(rèn)可和鼓勵(lì)。但每一次的項(xiàng)目進(jìn)展和成果給我們帶來(lái)的心理上的喜悅，其實(shí)遠(yuǎn)大于國(guó)家獎(jiǎng)勵(lì)帶來(lái)的喜悅?！?/p>

“我們還在進(jìn)行一些小的改造，希望能在積累大量數(shù)據(jù)的同時(shí)，再多一些新的技術(shù)突破，為今后建造新的對(duì)撞機(jī)或者同步輻射光源，積累經(jīng)驗(yàn)。”于程輝笑著說(shuō)。

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