北京正负电子对撞机对撞区和北京谱仪Ⅲ

　　2018 年10 月16 日，北京正负电子对撞机（Beijing Electron Positron Collider，BEPC）就建成并投入运行整整30 年了。在我国高能加速器与高能物理研究发展的进程中，BEPC 是“ 根” 一般的存在。1988 年建成，2004—2009 年升级改造为双环对撞机，30 年来，我国高能物理实验领域以此为起点，从无到有，取得了令世界瞩目的进展：我们能独立设计建造加速器、探测器并开展物理研究；我们在2~5 GeV 能区的τ 物理、粲物理、粲偶素、量子色动力学检验等方面走到了世界前列；我们开拓了中微子研究领域，利用大亚湾反应堆中微子实验发现了中微子新的振荡模式，精确测量了其振荡幅度，并开始了江门中微子实验的建设；同时，我们在高海拔和空间宇宙线实验、暗物质探测、X 射线天体物理研究等方面也取得了长足的进步，“慧眼”卫星正遨游太空，一系列国际领先的科研设施正在建设中。在此基础上，我国的同步辐射和散裂中子源装置的建设和应用也从无到有，逐步走到世界前列。

　　作为中国基于粒子加速器的高能物理实验研究的起点，BEPC 走过的路是不平坦的，经历了很多曲折。幸运的是，30 年前，中国在高能物理领域迈出了正确的第一步。虽然由于经济和技术能力的限制，BEPC 不是当时最先进的加速器，其能量只有当时国际最高能量、位于欧洲的大型正负电子对撞机（Large Electron–Positron Collider，LEP） 的1/20，周长只有其1/100，但BEPC不负众望，取得了与投入相匹配的成就，奠定了中国加速器、探测器及相关关键技术的基础，为中国高能物理学界和产业界培养了大批人才，将互联网、万维网和网格计算引进国内，同时也在技术创新和成果转化方面取得了一系列骄人成绩。回过头来看，BEPC 是当时能够做的最好选择。

　　BEPC 是我国高能物理国际地位的决定性支撑

　　由于对粒子物理标准模型的建立起到重要作用，自J/ψ 和τ 粒子被发现以后，人们从未停止对它们的系统研究，以其为代表的研究工作奠定了一个新的研究方向：τ-粲物理。特别是，粲物理介于微扰和非微扰强相互作用理论的适用范围之间，是检验非微扰理论计算的极好平台。即使在今天，非微扰理论计算仍然是粒子物理的难点之一。在长达几十年的时间里，τ- 粲物理研究一直是国际高能物理的高精度测量研究前沿和热点之一，对于精确检验标准模型，发展量子色动力学，探索新的物理现象等有重大的科学意义。

　　在经历了对撞机建造方案“七上七下”的曲折后，北京正负电子对撞机，即BEPC，终于成功上马。它所选择的能区恰恰是τ- 粲物理的一个“富矿区”，为我国的高能物理研究后来居上提供了机遇和支撑。

　　早在1970 年代，邓小平就曾多次强调，虽然建造高能加速器耗资巨大，但从长远看很有意义，“非搞不行”。他说：“这是从长远发展的利益着眼，既然要搞四个现代化，就得看高一点，看远一点，不能只看到眼前。这是一个难的事情，但可以带动许多方面，也许这个决心可以帮助我们把发展的程度提高得快一点。”

　　他请当时主管科技工作的方毅副总理就对撞机建造方案组织专家进行反复论证。在多方听取国内外专家意见，特别是各种不同意见的基础上，他以一个政治家的远见卓识看到发展高能物理研究对于提高我国科学技术水平的巨大作用，于1981 年底亲自批准了北京正负电子对撞机工程。1984 年10 月7 日，对撞机工程在北京西郊玉泉路的中科院高能物理研究所破土动工，他来到工程奠基现场，亲自挥锹铲土为奠基石培了第一锨土。针对当时对撞机建设是否“超前”的争议，他坚定地对在场的中外科学家说：“我相信，这件事不会错。”今天，经过30 年的实践，已经证明建造对撞机对我国科技发展起到了极其重要的作用，大大提升了国家的科技实力。

　　在BEPC 建成前，我国科学家只能参与别的国家主导的高能物理实验。1988 年BEPC 和北京谱仪（Beijing Spectrometer，BES）建成并投入运行，是粲物理能区最好的实验装置，具有阈值优势，能提供本底最小的高统计量数据样本，成为了国际粒子物理研究的一个重要实验平台，吸引了各国科学家到此开展合作、研究。我们终于有条件作为东道国组织多国科学家参与的、大规模的物理实验，进行以中方为主的国际合作。由于BEPC 的出色性能，1990 年，同样运行在τ- 粲物理能区的美国斯坦福直线加速器中心的对撞机SPEAR（Stanford Positron Electron Asymmetric Rings）停止运行。

　　1992 年，参与科学研究的中美科学家组成了一个合作组，称作BES 合作组，合作组逐渐发展为来自中国、美国、日本、俄罗斯、德国等10多个国家和地区50 个研究机构的几百名科学家参加的大型国际合作组。BES 合作组成员在物理课题选取、运行计划安排、数据分析、文章评审、参与国际会议、机制和规章建立和未来发展等多方面通力合作，在轻强子谱、粲偶素物理、粲物理、量子色动力学和τ 物理等方面取得了一系列丰硕的实验成果。这既是我们今天讨论的“中国发起的国际大科学计划和工程”的先驱，也提供了宝贵的经验，培养了人才。

　　从1990 年代中期开始，高能物理学家就开始讨论中国高能物理实验的未来发展。经过长期研讨，最后大家取得共识，认为在北京谱仪已有的τ- 粲物理研究成果的基础上，继续开展τ-粲物理研究，科学意义重大，是考虑到国力可接受的范围、已有的技术基础和经验、完成建设任务所需的时间等各方面因素的最佳选择，对发展我国高能物理研究、巩固我国在国际高能物理研究领域的一席之地具有重要意义。这就是北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCⅡ），包括加速器和谱仪（BESⅢ）。

　　2008 年，BEPCⅡ完成了全部建设任务后，开始投入试运行。也正是在这一年，美国康奈尔大学运行在同能区的对撞机CESR（Cornell Electron Storage Ring）停止运行。

　　新的北京正负电子对撞机（BEPCⅡ） 和北京谱仪（BESⅢ），指标和性能达到国际最好技术水平，每天获取的数据比过去提高了两个数量级。目前，BES 实验（包括BES 实验、BES Ⅱ实验和BES Ⅲ实验）积累的事例数据比此前国际上其他实验室的数据至少高一个数量级，构成了τ- 粲能区世界最大的数据样本。以我为主的BES 实验，在τ 轻子质量的精确测量、R 值测量、发现新强子态、J/ψ 共振参数的精确测量、Ds 物理研究、ψ（2S）粒子及粲夸克偶素物理的实验研究、J/ψ 衰变物理的实验研究等方面取得一系列国际领先的研究成果，在国际著名期刊上发表文章400 多篇，被国际权威《粒子物理手册（PDG）》引用的成果500 多项。主要的代表性成果如下：

　　τ 轻子质量精确测量

　　1992 年BES 的τ 轻子质量测量把精度提高了10倍，纠正了此前超过2 倍标准误差的测量偏差，结合国际上同时期的轻子寿命和衰变分支比的精确实验测定，证实此前受到怀疑的轻子普适性原理是成立的，解决了标准模型的一个重大疑点，被国际上评价为当年最重要的高能物理实验成果之一。

　　这是在北京谱仪上取得的第一项重要成果，中国的粒子实验物理研究也因此赢得了世界同行的称赞和尊重，北京谱仪使用的先进实验方法也得到了认可和推广。这项成果被中国新闻界和学术界评为1992 年世界十大科技新闻，中国十大科技新闻和中国十大科技成就，并获得1995 年度国家自然科学奖二等奖。

　　2-5GeV 能区R值的精确测量

　　1999 年BES 对2~5 GeV 能区正负电子对撞的强子反应截面（R 值）的测量，将测量精度提高了2~3 倍，使精细结构常数的误差降低为之前的一半，大大提高了标准模型对希格斯粒子质量的预测精度，解决了标准模型预言与实验结果不一致的矛盾，得到了国际高能物理界的高度评价。

　　2002 年的《粒子物理手册（PDG）》对多年不变的R 值作了重大改动，添加了北京谱仪的全部结果。物理学家们据此重新进行计算，调整了原先标准模型对希格斯粒子质量中心值及其上限的预测，这对于当时寻找和发现希格斯粒子实验有很重要的指导意义和影响。法国科学院院士达维耶（M. Davier）称北京谱仪国际合作组的该成果为R 值的“北京革命”，俄罗斯物理学家艾德尔曼（S. I. Eidelman）称之为R 值测量的“真正突破”。

　　这一成果的取得再次显示了北京正负电子对撞机/北京谱仪在国际高能物理界占有一席之地的重要地位。此项成果获得2004 年度国家自然科学奖二等奖。

　　轻强子谱研究

　　2003 年以来，BES Ⅱ实验曾发现了一些异于普通强子的新的共振态，如新粒子X（1835），极有可能是高能物理实验中寻找了几十年的、普通夸克模型以外的新型粒子。2006 年的《粒子物理手册（PDG）》首次收录了X（1835） 新粒子。2013 年，“ 北京谱仪Ⅱ实验发现新粒子”获得国家自然科学奖二等奖。

　　近年来，BES Ⅲ实验利用世界最大的J/ψ 事例等数据样本，对强子谱进行系统研究，希望建立完整的轻介子谱和重子谱，发现新型强子并确定其自旋、宇称及产生和衰变的性质，以彻底理解强子结构，理解强耦合非微扰机制下的强相互作用，发展QCD 的理论。

　　发现四夸克物质Zc(3900)

　　2013 年3 月，BESⅢ实验国际合作组宣布发现了一个新的共振结构Zc（3900）。其中含有一对正反粲夸克且带有和电子相同或相反的电荷。这一发现提示该物质至少含有四个夸克，极有可能是科学家长期寻找的介子分子态或四夸克态。

　　Zc（3900）的发现引发了实验和理论研究的热潮，并提出了一系列亟待回答的问题，国际物理学界高度评价这个发现。《自然》（Nature）发表了题为《夸克四重奏开启物质世界新视野》的文章，强调“找到一个四夸克构成的粒子将意味着宇宙中存在奇特态物质”。《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表题为《新粒子暗示存在四夸克物质》的评论，指出“如果四夸克解释得到确认，粒子家族中就要加入新的成员，我们对夸克物质的研究就需要扩展到新的领域。”该成果被美国物理学会《物理》（Physics）评为2013 年国际物理领域11 项重要成果之首。

　　BEPC 是我国加速器技术发展的基石

　　BEPC 的建设使我们在国际合作的框架下很快掌握了加速器的一些关键技术，从物理设计与加速器模拟，到磁铁、真空、微波、电源、精密机械、准直测量等。这些技术也扩散到国内相关单位，使我国的加速器技术和研制能力得到很大提高，并进入了一个快速发展时期，北京同步辐射装置、兰州重离子加速器、合肥同步辐射加速器等大型加速器相继建成。特别是北京同步辐射装置的建成，为我国的材料科学、凝聚态物理，还有化学、生物、环境、地质等各方面的研究提供了必不可少的实验和技术手段，大大提升了相关领域的科学研究水平。

　　1990 年代后期，高能所又开展了新光源的设计与预研，后来发展成为上海光源。高能所的队伍在上海领导开展了这个光源的设计与预研，一部分骨干最后留在了上海。21 世纪初，散裂中子源的建造开始提上议事日程，经过十多年的努力，今年成功完成建设任务。

　　近年来，高能所还完成了用于驱动核反应堆的强流质子加速器的注入器，性能指标已达到10mA@10MeV的世界最好水平。新设计的高能同步辐射光源（High Energy Photon Source，HEPS）即将开始建设，其发射度指标是世界最好的，从而能达到更高的亮度，表明我国加速器技术已经走上国际前列。

　　BEPC 是我国高新产业技术发展的助推器

CEPC布局设计图

　　高能物理研究与其他研究相比，还有一个非常特殊的地位，它所使用的实验设备一般都很庞大与先进，涉及非常广泛与复杂的技术，如机械、电子、微波、超导、低温、束流测量、计算机与控制、粒子探测与电子学等。通过需求牵引，可以大大推动这些工业部门的技术进步，对国家科学研究实力和工业水平的提高有巨大的推动作用，尤其是对于像中国这样的有一定基础、但还没有达到国际顶尖水平的国家。特别是建造世界领先的加速器，其带动作用是不可估量的。

　　具体到BEPC 和BEPC Ⅱ的建造，带动了大功率速调管、加速管、超导射频、高性能磁铁、精密机械、高稳定电源、超高真空、超导磁铁、大规模低温系统、束流测量、计算机自动控制、核探测器、快电子学、高速数据获取和数据密集型计算等高新技术的发展。比如在1980 年代BEPC 建设期间，高功率速调管的研制就对我国的广播通讯事业起了极大的推动作用。21 世纪初，BES Ⅲ的高精度机械加工需求极大地推动了成都飞机工业（集团）有限责任公司的技术能力，为我国的航空事业发展做出了重要贡献。通过国际合作，一些禁运的设备和技术得以进入国内，高能所建设了国内当时最先进的计算机网络系统，引进了互联网、万维网和网格计算，是国内首个电子邮件（email）和WWW 网页的发源地。

　　应用BEPC 和BEPC Ⅱ发展的加速器和探测器技术，高能所还开发了一系列高技术产业，如医用加速器、辐照加速器、工业CT、正电子发射断层成像和低温超导除铁器与核磁共振成像的超导磁体等，推进了高新技术在国内的辐射和产业化。

　　北京正负电子对撞机向社会开放，建成以来接待数百批、几万人次参观，成为向社会乃至世界宣传中国改革开放和高科技发展的窗口。

　　从BEPC 到CEPC，中国高能物理面临的重大机遇

　　2012 年7 月欧洲核子中心（CERN） 宣布发现希格斯粒子后，中国科学家提出建造能量为~240 GeV 的高能环形正负电子对撞机（Circular Elect ron Positron Collider，CEPC） 设想，作为北京正负电子对撞机以后的下一代中国高能加速器。

　　CEPC 瞄准高能物理的前沿——希格斯粒子，通过对其的精确测量，深入研究标准模型并寻找新物理。一旦建成，中国将成为全球高能物理研究的中心，将吸引全世界最优秀的一批科学家和工程师来华工作，建设一个世界级的科学中心，同时作为龙头带动一系列核心技术的发展。

　　继希格斯粒子被发现以后，国际高能物理界普遍认为对它的深入研究极为重要和迫切，是探索超出标准模型新物理的最好窗口。为此，日本科学家在积极推进建造他们主导的国际直线加速器（International Linear Collider，ILC），欧洲在计划建造未来环形对撞机（Future Circular Collider，FCC）。希格斯粒子解释了基本粒子质量起源这一深刻问题，但也具有一些我们前所未见的特性。比如它是唯一的自旋为0 的基本粒子；参与非规范的相互作用（其他基本粒子只有规范相互作用）；是其他基本粒子质量的起源，但其自身的质量来源我们不知道等。同时，希格斯粒子和其自身的相互作用对宇宙早期的演化具有重要影响，可以为我们解释宇宙中的反物质丢失之谜提供极其有用的线索。我们也知道标准模型不是终极理论，目前已有一些实验和问题不能在标准模型内得到解释。但这些问题，如真空的亚稳态，基本粒子质量相差太大，希格斯粒子质量的自然性等，均和希格斯粒子有关。研究希格斯粒子，是通向更深层次物理的钥匙，是粒子物理研究不可跨越的一步。

　　CEPC 也将是世界唯一的超高能同步辐射光源，光子能量可达20 MeV，通量极高，在核物理、材料、微加工、大型部件检测等许多方面可以有大量应用。

　　CEPC 的很多关键技术是未来加速器技术发展的必然趋势。如大功率超导高频加速技术、高效率微波功率源和大型制冷机等应可以取代进口，破解国外禁运；还有超导磁体及超导线、低温、精密机械、真空、电子、抗辐照芯片、自动控制、计算机等具有战略意义的前沿技术可以实现国际领先。这些技术研发与成果转化，可以推动相关领域的“跨越式”进步，打造一批国际领军科技企业，极大地提升国家的科技创新能力和国际竞争实力，提高中国在国际社会中的领导地位。CEPC 自身是个大型的、世界一流的科学研究和技术发展人才聚集地和培养基地，将促进地方的社会与经济发展，促成新的多学科大型研究平台，并将聚焦世界目光，提高中国的国际威望，加强话语权与软实力。

　　中国高能物理学目前走到了一个关键时刻，此前我们是追赶者，快步追赶欧洲和美国物理学发展的脚步，目前已经到了可以并驾齐驱的水平。而下一代高能粒子对撞机CEPC，则给了中国占据世界物理学研究最前沿，成为领跑者的好机会。但是，这一项目仍旧与当年决策建造BEPC 时一样，面临着资金、技术、人才上的质疑。

　　我们已有30 多年正负电子对撞机的经验，关键技术有很好的基础。虽然还需要努力，但以我们的能力及人员队伍，我们有十分的把握能完成任务。

　　在人才方面，我国高能物理学界目前拥有约1000 名研究人员，其中有相当数量的青年人才。这个规模略低于美、日、欧，处于世界第四的位置。这支队伍获得过一系列国际领先的重要成果，并在大型强子对撞机（LHC）的国际合作中发挥着显著作用。与此同时，CEPC 项目的预研已经吸引了大批顶级的国际专家进行合作。可以预见，一旦CEPC 项目正式立项，我们将通过自主培养和国际合作方式，吸引大批优秀人才。

　　所幸的是，参与CEPC 项目的一批科学家、工程师百折不挠，在质疑与争议声中，坚持推进项目的设计和预研工作, 在加速器物理、超导加速腔、高效速调管、束流测量、直线加速器关键技术、探测器关键技术等方面均取得了卓有成效的进展。今年6 月，CEPC 加速器概念设计报告通过国际评审，评审委员会肯定了CEPC设计工作令人瞩目的进展，认为概念设计工作已经证明项目的基本可行性，下一步可以进入技术设计报告阶段。

　　与此同时，CEPC 正在日益成为一个国际化的大科学项目，为国际学术界所瞩目。国际未来加速器委员会曾于2014 年两次发表声明：“支持能量前沿环形对撞机研究并鼓励全球的协调”，“继续鼓励国际环形对撞机的研究”。亚洲未来加速器委员会和亚洲高能物理委员会也曾于2016 年明确表示：“我们鼓励中国领导的这个方向”。目前，高能所已与20 多个国家的科研机构或大学签署了合作意向书, 并采取了多项措施深化国际合作，包括成立国际顾问委员会，组织国际化的工作小组，邀请知名专家来华开展合作研究等。

　　中国的高能物理能发展到今天，与BEPC 的建设是分不开的。从高能物理实验的空白，到建成自己的高能物理实验基地，以优异的成果在国际高能物理研究领域占据一席之地；从学习、吸收国外先进技术，参照外国图纸设计、加工加速器部件，到大胆地采用既能实现高亮度双环交叉对撞技术又能兼顾同步辐射应用的创新方案，到提出国际领先的高能环形正负电子对撞机；从国际合作中的" 小学生"，到组织以我为主的大型国际合作研究，在τ —粲物理和中微子领域居于国际领先地位......

　　砥砺前行30 载，而今迈步从头越。在BEPC 建成30 年之际，回顾我国高能物理事业走过的艰辛曲折和令人欣喜的历程，回顾依托BEPC、BEPCⅡ所取得的令世界瞩目的重大成果，是为了从中得到启示，在未来继续努力。我们要继续推动环形对撞机及其他重大科技基础设施的研制和建造，为人类认识物质世界，为建设科技强国、实现中华民族的伟大复兴做出贡献。

　　（本文原载于《科学》2018年第5期）