北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)

劉辛味

31年前，在北京八寶山東麓，我國(guó)第一臺(tái)大科學(xué)裝置——北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）建成。它由長(zhǎng)202米的直線加速器、輸運(yùn)線、周長(zhǎng)240米的圓形加速器（也稱儲(chǔ)存環(huán)）、高6米重650噸的北京譜儀和圍繞儲(chǔ)存環(huán)的同步輻射實(shí)驗(yàn)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(duì)撞機(jī)？這個(gè)坐落在地下的龐然大物到底是做什么的？科學(xué)家用它發(fā)現(xiàn)了什么？

在中國(guó)科學(xué)院第十七次院士大會(huì)、中國(guó)工程院第十二次院士大會(huì)上，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)：“要高度重視原始性專業(yè)基礎(chǔ)理論突破，加強(qiáng)科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，保證基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性、前沿性技術(shù)研究和技術(shù)研發(fā)持續(xù)推進(jìn)，強(qiáng)化自主創(chuàng)新成果的源頭供給。要積極主動(dòng)整合和利用好全球創(chuàng)新資源，從我國(guó)現(xiàn)實(shí)需求、發(fā)展需求出發(fā)，有選擇、有重點(diǎn)地參加國(guó)際大科學(xué)裝置和科研基地及其中心建設(shè)和利用。”

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)正是進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)研究的大型科學(xué)裝置，也許你對(duì)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)還不算了然，但它的提出、建成、升級(jí)，每一個(gè)過(guò)程都代表著我國(guó)高能物理的一步步發(fā)展，對(duì)人類了解世界的構(gòu)成更是做出了杰出貢獻(xiàn)。

命途多舛的中國(guó)加速器

上個(gè)世紀(jì)50年代初，美、蘇、歐等少數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)開始大力籌建高能加速器。雖然當(dāng)時(shí)我國(guó)在高能物理領(lǐng)域與國(guó)際先進(jìn)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(xué)發(fā)展十二年遠(yuǎn)景規(guī)劃》就提出“制造適當(dāng)?shù)母吣芗铀倨鳌钡臉?gòu)想。然而從提出構(gòu)想，到真正建設(shè)成北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，我國(guó)加速器的建成經(jīng)歷了頗為波折的命運(yùn)。

“從一九五六年起，高能物理工作，五起五落……高能物理實(shí)驗(yàn)幾乎一片空白，高能物理研究則全是依靠外國(guó)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)……”1972年9月，由張文裕、朱洪元、謝家麟、何祚庥等18位科學(xué)家聯(lián)名上書中央的信中寫道。

70年代末，我國(guó)的高能物理研究有了長(zhǎng)足發(fā)展。隨著“派出去，引進(jìn)來(lái)”，我國(guó)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(shù)和設(shè)備的支持;鄧小平訪美期間簽署了中美兩國(guó)在高能物理方面進(jìn)行合作的協(xié)定;在李政道的大力撮合下，第一次中美高能物理聯(lián)合委員會(huì)在北京召開。還有之前建成的預(yù)制研究基地、6個(gè)實(shí)驗(yàn)大廳以及10GeV質(zhì)子直線加速器，為后面的研制打下了基礎(chǔ)。

因?yàn)橛羞^(guò)經(jīng)費(fèi)的困難，此時(shí)，我國(guó)物理學(xué)家提出，能否制造一個(gè)規(guī)模小、便宜，但同樣能做出好的物理成果的加速器？

爭(zhēng)議聲中的建造

要了解到底建一個(gè)什么樣的加速器，還有必要了解一下當(dāng)時(shí)世界粒子物理學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r。

到上世紀(jì)60年代，物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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(guó)物理學(xué)家蓋爾曼發(fā)明了一種方法，可以為這些粒子（強(qiáng)子）歸類，并且通過(guò)這種方法又預(yù)言了一個(gè)新粒子Ω-超子。美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的交變梯度同步加速器（AGS）驗(yàn)證了他的預(yù)言。接下來(lái)，他進(jìn)一步設(shè)想原子核內(nèi)的質(zhì)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(jiǎng)。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(chǔ)物理研究開啟了新的一頁(yè)。

1974年，在布魯克海文實(shí)驗(yàn)室工作的丁肇中團(tuán)隊(duì)，利用質(zhì)子打鈹靶，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新粒子，他命名為J粒子。

幾乎同時(shí)，里克特用斯坦福直線加速器（SLAC）也發(fā)現(xiàn)了這個(gè)粒子，他命名為Ψ，因此這個(gè)粒子被稱為J/Ψ。后來(lái)實(shí)驗(yàn)證明，這個(gè)粒子是由一對(duì)正反粲夸克組成的束縛態(tài)。兩人的發(fā)現(xiàn)在物理學(xué)史中被稱為“十一月”革命，人類對(duì)粒子的基本結(jié)構(gòu)又有了新的認(rèn)識(shí)，而與粲夸克相關(guān)的問(wèn)題，所謂粲物理還在等待科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。

“當(dāng)時(shí)在那個(gè)能區(qū)（粒子能量的區(qū)域）有很好的物理工作，但針對(duì)這一能區(qū)的加速器性能都不太好。”中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員張闖回憶說(shuō)。

中科院在1981年提出建造一臺(tái)2X2.2GeV的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，目標(biāo)產(chǎn)生更多J/Ψ粒子，讓我國(guó)進(jìn)入高能物理的前沿研究。選擇這一能區(qū)建造加速器，是經(jīng)過(guò)了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)專家與李政道、吳健雄、袁家騮以及美國(guó)加速器專家潘諾夫斯基等人多次深入、反復(fù)論證得出的結(jié)果，而北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的立項(xiàng)也經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)磨合的過(guò)程。

BEPC 外形像一個(gè)巨大的羽毛球拍，球拍的“把”是一臺(tái)長(zhǎng)202 米的正負(fù)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(chǎn)生正負(fù)電子束，正負(fù)電子束通過(guò)輸運(yùn)線注入周長(zhǎng)為240 米的球拍“框”——儲(chǔ)存環(huán)中，不斷地積累、儲(chǔ)存、加速、對(duì)撞。

其實(shí)，從1980年年底高能所開始討論加速器方案時(shí)就有很大分歧。比如，用質(zhì)子還是電子？我國(guó)有一定制造質(zhì)子加速器的經(jīng)驗(yàn)，而且用質(zhì)子打靜止靶也會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的粒子，有更好的物理意義。但無(wú)論是成本還是建設(shè)難度對(duì)當(dāng)時(shí)我國(guó)情況提出了極大的挑戰(zhàn)。

即使這個(gè)電子對(duì)撞的方案有眾多優(yōu)勢(shì)，也仍然遭到了反對(duì)：連靜止打靶加速器都沒完全做出來(lái)，一步登天造對(duì)撞機(jī)，我們行嗎？“物理窗口”（指粲物理領(lǐng)域需要深入研究的空白領(lǐng)域）在對(duì)撞機(jī)建成后還有嗎？能否實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，一機(jī)兩用？

1983年4月，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）方案上馬，計(jì)劃4年完成。12月，黨中央、國(guó)務(wù)院將其列入國(guó)家重點(diǎn)工程項(xiàng)目，代號(hào)8312工程。

終于順利運(yùn)行

匯集全國(guó)力量，BEPC開工了。隨著磁鐵、高頻機(jī)、調(diào)速管、調(diào)制器等高難度專用設(shè)備試制成功，所有人對(duì)其建成更有信心。但依然存在很多問(wèn)題，能否按期完成？建成后能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)？能否實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行？隨著工程竣工，在1988年10月16日首次實(shí)現(xiàn)正負(fù)電子對(duì)撞，成功達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期亮度（指對(duì)撞機(jī)主要性能）后，這些問(wèn)題得到了完美的答案。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)成為J/Ψ粒子能區(qū)性能最好的加速器。

“我有個(gè)夢(mèng)想，做中國(guó)自己的加速器。”39年前，張闖第一次出國(guó)，在費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室樓頂俯瞰6公里長(zhǎng)的加速器，感慨中國(guó)什么時(shí)候有自己的高能加速器，這次他圓夢(mèng)了。

無(wú)論是加速器建設(shè)，還是讓它穩(wěn)定運(yùn)行，我國(guó)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(jì)算數(shù)據(jù)，晚上值班擔(dān)心突如其來(lái)的電話，由數(shù)十萬(wàn)組件集合而成的大科學(xué)裝置，任何一個(gè)小元件的損壞故障都會(huì)使BEPC停運(yùn)。BEPC最初有近30%的時(shí)間花費(fèi)在設(shè)備維護(hù)上，經(jīng)過(guò)3年的努力把故障率降到5%以下，平穩(wěn)運(yùn)行至今。

BEPC外形像一個(gè)巨大的羽毛球拍，球拍的“把”是一臺(tái)長(zhǎng)202米的正負(fù)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(chǎn)生正負(fù)電子束，正負(fù)電子束通過(guò)輸運(yùn)線注入周長(zhǎng)為240米的球拍“框”——儲(chǔ)存環(huán)中，不斷地積累、儲(chǔ)存、加速、對(duì)撞。球拍的正頂部是對(duì)撞點(diǎn)，這里有一臺(tái)探測(cè)器，是北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)同時(shí)建造的大科學(xué)裝置北京譜儀（BES），電子發(fā)生了什么會(huì)在這里檢測(cè)出來(lái)。而在環(huán)線的切線方向，安放了同步輻射裝置（BSRF），實(shí)驗(yàn)室能開展同步輻射相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，真正做到了“一機(jī)兩用”。

一用是粒子對(duì)撞，二用就是同步輻射。同步輻射就是帶電粒子接近光速時(shí)，若在電磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，就會(huì)沿切線方向發(fā)射出一種電磁輻射，像下雨天旋轉(zhuǎn)雨傘，水滴會(huì)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(xué)、材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

做出了自己特色的成果

BEPC運(yùn)行后，獲得了哪些成果？上世紀(jì)90年代初國(guó)內(nèi)還沒有互聯(lián)網(wǎng)，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)工程進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析階段，由于中美國(guó)際合作需要建立一條Internet專線來(lái)傳輸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及各種信息，就這樣在高能所架設(shè)了第一臺(tái)服務(wù)器，我國(guó)第一個(gè)WWW網(wǎng)站就此誕生。其實(shí)，這不過(guò)是大科學(xué)工程附帶的好處之一。由于BEPC的建造成功，美國(guó)斯坦福電子直線加速器上的MARK3探測(cè)器停止運(yùn)行，部分人員參加到中國(guó)的對(duì)撞機(jī)上工作，成立了北京譜儀合作組。

在BEPC運(yùn)行之初，科學(xué)家就把能量放在了產(chǎn)生J/Ψ粒子的能區(qū)上，尋求更多的數(shù)據(jù)以便對(duì)這種粒子進(jìn)行物理分析。90年代初，國(guó)際高能物理學(xué)界發(fā)現(xiàn)了新問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)測(cè)出的τ輕子質(zhì)量與相關(guān)的理論不符。這是一個(gè)很大的理論挑戰(zhàn)，如果實(shí)驗(yàn)測(cè)量正確，意味著公認(rèn)的輕子普適性原理被破壞，可能出現(xiàn)新的物理理論。另一種可能則是實(shí)驗(yàn)測(cè)出的質(zhì)量不準(zhǔn)。

1992年，BEPC給出了τ輕子質(zhì)量的精準(zhǔn)測(cè)量，精度比原來(lái)提高了10倍，原來(lái)的結(jié)果有較大的偏差。標(biāo)準(zhǔn)模型并沒有倒塌。更新了粒子物理學(xué)數(shù)據(jù)權(quán)威《粒子物理手冊(cè)》（PDG），被認(rèn)為是當(dāng)年國(guó)際最好的粒子物理成果。

張闖說(shuō)：“τ輕子質(zhì)量測(cè)量只是當(dāng)時(shí)影響力最大的成果之一。”實(shí)際上在粲物理能區(qū)，對(duì)粲偶素、粲介子的研究如同打開了一座寶庫(kù)，至今更新了PDG中的800余項(xiàng)數(shù)據(jù)。另一項(xiàng)影響力較大的是R值（強(qiáng)子產(chǎn)生截面，表征單位亮度的對(duì)撞機(jī)在單位時(shí)間產(chǎn)生粒子的概率）測(cè)量。減小R值測(cè)量誤差的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于尋找希格斯粒子（上帝粒子）有重要作用。得出的結(jié)果更新了希格斯粒子的質(zhì)量下限，證實(shí)了當(dāng)時(shí)國(guó)際最強(qiáng)的加速器都無(wú)法產(chǎn)生希格斯粒子。BEPC并不是沒有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，2000年美國(guó)康奈爾大學(xué)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)CESR降能至粲物理能區(qū)，并且提出了改造方案——要比BEPC設(shè)計(jì)亮度還要高的CESRc。中國(guó)最終接受挑戰(zhàn)，提出重大改造升級(jí)BEPC II。建成后的BEPC II，亮度為CESRs的14倍以上，成為國(guó)際上最先進(jìn)的雙環(huán)對(duì)撞機(jī)之一，繼續(xù)保持在粲物理領(lǐng)域國(guó)際領(lǐng)先的地位。同時(shí)北京譜儀改造成性能世界一流的探測(cè)器，BES III。

“我們期待來(lái)自BES III的一系列重要物理發(fā)現(xiàn)。”來(lái)自康奈爾的賴斯教授在發(fā)給高能所的賀信中說(shuō)。升級(jí)后的第三代北京譜儀（BES III）發(fā)現(xiàn)了新的“四夸克物質(zhì)”，在2013年美國(guó)《物理》雜志公布的11項(xiàng)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(gè)單位進(jìn)行500余項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。SARS病毒的主蛋白酶結(jié)構(gòu)，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(xué)家還利用北京同步輻射裝置對(duì)一塊琥珀進(jìn)行了無(wú)損成像，得到了隱藏在琥珀中的恐龍尾部椎骨的高質(zhì)量投影圖像，進(jìn)而構(gòu)建出恐龍尾部的高清3D形態(tài)，憑借此技術(shù)，人類有史以來(lái)第一次在琥珀中發(fā)現(xiàn)恐龍化石……

這些學(xué)術(shù)成果，正印證著我國(guó)科研從跟跑到并跑，到今天部分領(lǐng)域領(lǐng)跑的發(fā)展?fàn)顩r。

另外，不得不提的是，BEPC的建設(shè)對(duì)各種加速器、同步輻射裝置起到了奠基作用，推動(dòng)了我國(guó)工業(yè)發(fā)展。成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)承擔(dān)BEPC II工程中北京譜儀III漂移室室體的研制，通過(guò)合作，成飛集團(tuán)精密機(jī)械加工技術(shù)水平提高了10倍，促進(jìn)了其自身產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步。

BEPC目前還沒有做出諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的工作，高能所前副所長(zhǎng)李衛(wèi)國(guó)研究員承認(rèn)，做出世界級(jí)成果很有難度，國(guó)際上的熱點(diǎn)也在高能量區(qū)。BES，在粲能區(qū)有豐富的發(fā)現(xiàn)和潛力，想研究粲物理，就來(lái)BEPC。

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的建設(shè)、運(yùn)行、成果，真正實(shí)現(xiàn)了“中國(guó)必須發(fā)展自己的高科技，在世界高科技領(lǐng)域占有一席之地”。

◎ 來(lái)源|北京科技報(bào)