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被对手“逼”出来的国际领先水平(科技日报)
——专家首次披露北京正负电子对撞机重大改造工程幕后故事
2010-04-12|文章来源:科技日报 李大庆 |【
 
今年1月,由中国科学家牵头的北京谱仪国际合作组发表了3篇有关新粒子性质及其精确测量的学术论文。这个国际合作组包括中、美、俄、德、意、日等十几个国家和地区44个研究机构的300多名科学家。经全体成员一致同意,3篇论文的第一篇发在《中国物理》C卷上,目的是告诉大家,这些研究成果是在中国、采用中国设备获得的,理应首先发表在中国的科学杂志上。而另外两篇则发表在国际物理学界的权威刊物《物理评论D》和《物理评论快讯》上。

获取这批数据的设备就是坐落于中科院高能物理研究所内的北京正负电子对撞机(BEPCⅡ)和运行在这台加速器上的科学研究设备——北京谱仪。这是BEPCⅡ去年7月重大改造工程竣工验收后所取得的重要成果之一。北京谱仪国际合作组发言人、高能所常务副所长王贻芳研究员说,BEPCⅡ的亮度已达到改造前的33倍以上,是此前这个能区亮度世界纪录的5倍,加速器和探测器的成功运行使我国在世界tau-粲物理研究中继续保持领先地位。而BEPCⅡ的改造如此成功,从一个侧面讲,得益于中美两国科学界在加速器改造方面的一场激烈竞争。

大洋彼岸传来“不幸”的消息

BEPCⅡ的前身BEPC是1984年动工、1988年建成的。借助这台大型加速器,我国科学家在tau-粲物理研究领域达到国际领先水平。尽管BEPC获得了许多重大成果,可仍然有许多重大疑问解释不了,这就需要有更高性能的加速器和探测器来“帮忙”。

为实现中国高能物理的持续发展,保持在tau-粲物理实验研究领域的国际领先优势,1997年,高能所提出了对BEPC进行彻底改造的“单环方案”,采用单环麻花轨道,使改造后的BEPCⅡ亮度提高30倍,达到3×1032cm-2s-1,总投资4亿元人民币。

2000年7月,国家科教领导小组原则上批准了BEPC的改造计划。然而,就在中国高能物理学界沉浸在一派欢欣鼓舞之时,一个“不幸”的消息从大洋彼岸传来:2000年底,美国康奈尔大学决定要对它的正负电子对撞机进行改造,把能量从10个GEV降到4—5个GEV,进行tau-粲物理研究。这就与高能所BEPC的物理目标基本相同。更为严重的是,按照康奈尔大学当年的计划,其设计亮度也是3×1032cm-2s-1,与高能所计划中的BEPCⅡ一样,而且由于工作量小,康奈尔的对撞机还会在高能所BEPCⅡ之前完成改造。也就是说,当中国花费巨资完成BEPCⅡ改造时,美国人已领先于中国进行相同的物理实验了,这必然会使中国BEPC改造项目的科学重要性大打折扣。

中国科学家很郁闷

高能所所长陈和生研究员很是烦恼:国家科教领导小组刚刚批准了BEPC改造的单环方案,美国人就要用“短平快”的方案和我们竞争,使我们的单环方案没有了竞争力。“我们怎么办?”

中国的高能物理学家们心里很明白,美国人是因看到了BEPC取得的“漂亮”成果而动心的:BEPC的研究成果使粲物理成为高能物理研究领域的热点之一;康奈尔大学的CESR在它原来的工作能区无法与美国和日本的“B-工厂”(能量在10GEV左右,能大量产生含b夸克粒子的高亮度正负电子对撞机)竞争,因而想降低能区与中国的BEPC“分一杯羹”。

此外还有一个原因,康奈尔大学基本粒子物理实验室主任M.Tigner是国际加速器领域的权威,曾被聘请为中科院高级顾问,在高能所指导工作两年,BEPC取得的成果让他有些羡慕……

逼上梁山

放弃BEPC的改造计划?高能所的领导从来就没有想过。“我们只有提高BEPCⅡ的竞争力,更上一层楼。”这是中国高能物理学家的共同心声。

3个月后,高能所重新更改了BEPCⅡ计划,提出了“双环方案”:在现有隧道内采用水平大交叉角对撞,建造双环对撞机,设计亮度由原来的比改造前提高30倍变为提高100倍,而这个亮度又是美国新方案亮度的3倍。

双环方案等于增加了BEPC改造的难度:国外成功的双环对撞机周长都大于2000米,而BEPC的隧道周长仅240米;国外的对撞区多是80米,而BEPC的对撞区仅28米;由于要在原来的单环隧道中安装双环加速器,截面小,安装十分拥挤,同时还要兼顾同步辐射应用装置,技术难度很高。此外,BEPCⅡ的性能指标定得很高,经费又十分有限,高能所面临着严峻的挑战。

令人高兴的是,双环方案不仅得到科学界的支持,而且也获得了国家的批准,并于2004年初正式开工建设。

在BEPC改造过程中,工程技术人员创造性地采用了“内外桥”联接两个正负电子外半环,形成同步辐射环和大交叉角正负电子双环的“三环方案”,实现“一机两用”,并保持原有光束线出口,最大限度地利用了原有的设施。

2006年11月9日,BEPCⅡ储存环所有主体设备安装完毕;11月12日,开始直线加速器和储存环的联合调束;11月18日,电子束流成功地实现了对撞。

2009年7月17日,国家发改委召开BEPCⅡ的竣工验收会。验收委员会一致认为,BEPCⅡ的建成,“将我国对撞机和谱仪技术推进到国际前沿,得到了国际高能物理界的高度评价,是中国高能物理发展的又一个重大的里程碑”。

大家一起“玩”

在BEPCⅡ的改造方面,美国人曾给中国高能物理学家出了难题。特别是康奈尔大学对撞机的改造指标是冒叫了5—8倍(实际上最后它也没有达到预定的设计指标),对高能所压力不小。然而,其“作用”倒是把中国BEPCⅡ的建设指标和性能推向了更高。

“这是中美两国在高能物理研究上的一场竞争,现在看这是一件非常好的事情。这种竞争有力地推动了高能物理研究领域的发展,在科学上是有意义的。”王贻芳认为,美国的方案给我们的改造制造了压力,使我们的建设指标存在着不小的风险,但压力反过来成了我们提高水平的动力,风险带来了我们的更高水平。

北京谱仪国际合作组现有6所美国大学参加,其中有4所是从康奈尔大学的加速器上转过来的,因为中国提供了tau-粲物理研究国际上最好的研究条件。“经过这场竞争,现在大家又开始一起合作了。”王贻芳说。

对于科学竞争,王贻芳有自己的理解:“科学竞争不像别的竞争,非搞到你死我活;它可以是大家一起‘玩儿’,只是我希望比你玩儿得更好,结果也更漂亮。”


 
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