圖1 BEPC 鳥瞰
北京正負(fù)電子對撞機（BEPC）是我國改革開放中建設(shè)的第一臺重大科學(xué)裝置。1988年金秋10月的一天，鄧小平同志親臨BEPC的落成典禮，發(fā)表了中國必須在世界高科技領(lǐng)域占有一席之地”的著名講話，指出：“過去也好，今天也好，將來也好，中國必須發(fā)展自己的高科技，在世界高科技領(lǐng)域占有一席之地”。對撞機的建設(shè)者們沒有辜負(fù)小平同志的殷切期望，BEPC在建成后立即投入運行，性能在國際上τ–粲能區(qū)的對撞機中居于領(lǐng)先地位，在安裝在BEPC上的北京譜儀（BES）上取得了τ–輕子精確測量、R–值測量和新粒子X(1835)的發(fā)現(xiàn)等重要成果。BEPC的豐碩成果，得到國內(nèi)外高能物理界的高度評價，也引發(fā)了在粲物理領(lǐng)域研究的國際競爭。在國家的大力支持下，我們制訂了中國高能物理發(fā)展戰(zhàn)略，依靠全所同事的齊心努力，實現(xiàn)了從BEPC到BEPCII的發(fā)展，繼續(xù)保持我國在世界高能物理領(lǐng)域的一席之地和在粲物理領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
1.從單環(huán)方案到雙環(huán)方案
BEPC是一臺單個儲存環(huán)的對撞機，在它的儲存環(huán)里只有一對正負(fù)電子束團進(jìn)行對撞，因此也限制了對撞亮度的提高。為了提高國際競爭力，我們提出了BEPC亮度提高的計劃。開始時，我們的方案是利用兩組靜電分離器，在儲存環(huán)里形成麻花狀的軌道，這樣就可以在一個環(huán)里儲存7–9對正負(fù)電子束團，在相互作用點進(jìn)行對撞。這個麻花軌道的改造方案，在理論上可以把對撞機的亮度提高7–9倍，達(dá)到3×1032cm–2s–1。2001年1月，我們帶著BEPC改進(jìn)的方案訪問美國。在康奈爾大學(xué)，我們得知那里的一臺原先在束流能量為5.6GeV的正負(fù)電子對撞機CESR，要降低到1.5–2.5GeV的粲物理能區(qū)工作，稱為CESR-c，并把CESR上的大型探測器CLEO改造為CLEO-c，同BEPC爭奪粲能區(qū)豐富的物理“礦藏”。CESRc的設(shè)計亮度也是3×1032cm–2s–1，而且是一個“短平快”的方案，使我們感受到很大的壓力。李政道先生得知這個情況后說：“Lifeisinteresting”，鼓勵我們接受挑戰(zhàn)，敢于同國際對手競爭。
回國以后，我們召開了BEPC全體人員大會，報告了訪問康奈爾大學(xué)的情況和對方CESR-c的計劃，提出要迎難而上，提高BEPC改進(jìn)方案的指標(biāo)，在競爭中取得主動權(quán)。經(jīng)過討論，領(lǐng)導(dǎo)班子的意志成為了全體科研工程人員的決心。為了繼續(xù)保持我國在粲物理領(lǐng)域的優(yōu)勢，我們提出了新的改造方案，采用國際先進(jìn)的雙儲存環(huán)、大交叉角對撞，同時要新建一臺與BEPCII的高亮度相匹配的新北京譜儀（BESⅢ）。這就是北京正負(fù)電子對撞機重大改造工程（BEPCII）。BEPCII的設(shè)計亮度為1×1033cm–2s–1，比BEPC提高100倍，是CESR-c的3–7倍，從而大大提高了競爭力。隨后，我們又召開了BEPCII可行性研究的國際評審會所學(xué)術(shù)委員會擴大會議，對方案進(jìn)行了深入的評審和討論，形成了共識。
BEPCII建設(shè)的主要任務(wù)是在BEPC已有隧道內(nèi)，建造國際上先進(jìn)的雙環(huán)對撞機，在質(zhì)心系能量3.77GeV時達(dá)到1×1033cm–2s–1；與BEPCII高計數(shù)率運行的要求相配合，建造新北京譜儀BESⅢ，大幅度提高測量精度，減少系統(tǒng)誤差；同時，要對直線加速器和通用系統(tǒng)等進(jìn)行改造。BEPCII要在τ–粲能區(qū)進(jìn)行精確測量，同時探索新的物理現(xiàn)象，為我國在今后相當(dāng)長的時期內(nèi)保持粲物理研究的國際領(lǐng)先地位，取得原始創(chuàng)新性物理成果奠定基礎(chǔ)。BEPCII投入運行后，能獲取比BEPC已有的J/ψ、ψ(3686)和ψ(3770)等事例高兩個量級的數(shù)據(jù)，在τ–粲物理前沿課題取得一系列具有世界領(lǐng)先水平的重大物理成果。與BEPC相同，BEPCII仍保持一機兩用，其高流強的優(yōu)勢有助于在兼用和專用模式下為用戶提供高通強和高亮度的同步輻射光。
圖2 BEPCII 的單環(huán)方案（左）和雙環(huán)方案（右）示意圖
2.從設(shè)計方案到實際對撞機
BEPCII于2004年初開工建設(shè)，就此拉開了一場高能物理領(lǐng)域的激烈競賽的序幕。表1記載了BEPCII建設(shè)的里程碑，其中凝聚著全體科研工程人員和全所同志的汗水與心血。
與BEPC相比，BEPCII的指標(biāo)更高、難度更大。雙環(huán)方案對于提高對撞亮度提供了有利的條件，同時也給加速器物理和技術(shù)上帶來一系列的挑戰(zhàn)。
面對這些挑戰(zhàn)，我們在BEPCII在總體上和各個系統(tǒng)中采用了一系列的創(chuàng)新性設(shè)計和技術(shù)，在較短的周長、擁擠的對撞區(qū)和窄小的隧道里實施了雙環(huán)方案，并采用“內(nèi)外橋”聯(lián)接兩個正負(fù)電子外半環(huán)形成同步輻射環(huán)和大交叉角正負(fù)電子雙環(huán)的“三環(huán)方案”，兼顧了高能物理與同步輻射應(yīng)用，滿足了“一機兩用”的要求。科研工程人員發(fā)揚了BEPC建設(shè)中形成的團結(jié)拼搏、協(xié)力創(chuàng)新、敢為人先、勇攀高峰的精神，依靠改革開放帶來的工業(yè)發(fā)展和科技進(jìn)步，圓滿完成了各項重大改造工程的建設(shè)任務(wù)。
北京正負(fù)電子對撞機的注入器——直線加速器的改造，是BEPCII工程的第一仗。2004年4月30日，BEPC上的高能物理實驗圓滿完成，直線加速器就開始改造，更換了8節(jié)加速管，安裝了新研制的強流電子槍和高產(chǎn)額正電子源，完善了各個子系統(tǒng)。經(jīng)過7個月的努力，高質(zhì)量完成直線加速器的改造，于當(dāng)年12月投入運行，開始為BEPC的最后一輪同步輻射實驗提供束流。
2005年6月底，最后一輪同步輻射實驗結(jié)束，BEPC圓滿完成了歷史使命。7月4日，工程團隊開始儲存環(huán)設(shè)備的拆除工作，并在2006年3月初開始BEPCII設(shè)備的安裝，只用了6個月的時間，當(dāng)年9月就完成了兩個儲存環(huán)的主體設(shè)備安裝。由于我們在低溫超導(dǎo)方面的技術(shù)儲備不足、缺乏經(jīng)驗，協(xié)作單位承擔(dān)的低溫系統(tǒng)的漏熱量太大，致使對撞區(qū)最終聚焦的超導(dǎo)磁鐵不能工作。工程指揮部決定，采用BEPC的常規(guī)聚焦磁鐵代替對撞區(qū)超導(dǎo)磁鐵的方案，抓緊時間開始束流調(diào)試工作，并于2007年3月實現(xiàn)了正負(fù)電子對撞。與此同時，低溫系統(tǒng)的改造與超導(dǎo)磁鐵的測試和安裝也在隧道外緊張地進(jìn)行，終于攻克難關(guān)，完成了加速器和譜儀超導(dǎo)磁鐵的聯(lián)合調(diào)試，并將設(shè)備安裝到對撞區(qū)。2007年10月BEPCII儲存環(huán)開始帶對撞區(qū)超導(dǎo)磁鐵調(diào)束、2008年6月開始加速器和譜儀的聯(lián)合調(diào)試，2008年7月19日，加速器與北京譜儀聯(lián)合調(diào)試對撞成功，觀察到了正負(fù)電子對撞產(chǎn)生的物理事例，2009年5月對撞亮度達(dá)到驗收指標(biāo)3×1032cm–2s–1，BEPCII建設(shè)的勝利完成。
圖3 BEPCII 直線加速器
圖4 BEPCII 儲存環(huán)
圖5 安裝在對撞區(qū)的北京譜儀BESⅢ
圖6 北京同步輻射裝置
在BEPCII工程建設(shè)期間，北京同步輻射裝置（BSRF）也進(jìn)行了改進(jìn)調(diào)試，把12號同步輻射實驗大廳的部分光束線和實驗站轉(zhuǎn)移到電子束處于外環(huán)的12號實驗大廳，還新建了兩臺插入件扭擺磁鐵、相應(yīng)的實驗站和15號同步輻射實驗大廳，加上BEPCII性能的提高，BSRF向用戶提供同步輻射光的通量提高了約一個量級。當(dāng)時，上海光源也在建造之中，國內(nèi)的同步輻射用戶面臨無光可用的困境。高能所以滿足諸多學(xué)科廣大用戶的需求為己任，克服了重重困難，巧妙地安排工程計劃，將設(shè)備拆裝和調(diào)束運行交替進(jìn)行，在BEPCII工程建設(shè)階段，BEPC和BEPCII一共為國內(nèi)外用戶提供了四輪共五個月的同步輻射專用光實驗，完成約700個課題，取得了豐碩的成果。
2009年7月BEPCII通過了國家竣工驗收。李政道先生發(fā)來賀信中說：“這是中國高能物理實驗研究的又一次重大飛躍，為中國在粲物理研究和τ輕子高能研究方面，繼續(xù)在國際上居于領(lǐng)先地位打下了堅實的基礎(chǔ)”。我們的競爭對手，美國康奈爾大學(xué)CESR-c的負(fù)責(zé)人的賴斯教授也發(fā)來郵件表示祝賀，說：“由于CLEO-c將終止運行，我們期待來自BESⅢ的一系列重要的物理發(fā)現(xiàn)”。
3.從高性能裝置到高水平成果
BEPCII建成后，立即投入了運行，既是一臺在粲能區(qū)國際領(lǐng)先的高能物理實驗裝置，又是一臺高性能的同步輻射裝置。
在高能物理實驗方面，BEPCⅡ自2008年開始運行以來，發(fā)揮高亮度對撞機和高性能探測器的優(yōu)勢，日均獲取的數(shù)據(jù)量較改造前提高2個數(shù)量級。BESⅢ實驗共獲取了4.5億ψ(3686)事例、12億J/ψ事例、2.9fb–1ψ(3770)事例以及5fb–1質(zhì)心系能量4GeV以上的事例和120多個能量點的R值數(shù)據(jù)，是2–5GeV能區(qū)世界上最大的數(shù)據(jù)樣本。由13個國家的50多所大學(xué)和研究機構(gòu)（其中中國33個單位）的400余名科學(xué)家組成的BESⅢ國際合作組是以我為主的重大國際合作，在輕強子譜的研究、粲偶素的衰變等方面取得多項重要的物理成果，其中“首次發(fā)現(xiàn)帶電類粲偶素Zc(3900)”得到國際高能物理界的高度評價，被美國《物理》雜志評選為2013年國際物理領(lǐng)域重要成果，列11項成果之首。
在同步輻射應(yīng)用方面，為國內(nèi)外24個研究機構(gòu)的用戶提供了20輪專用光，總供束時間約2萬小時，完成近5000個用戶課題。自2010年3月起，BEPCII在開展高能物理實驗同時，向包括扭擺磁鐵在內(nèi)的9條束線以兼用模式供光。清華大學(xué)課題組依托BSRF開展與糖尿病和肥胖癥相關(guān)的蛋白質(zhì)激酶研究，揭示了其工作原理。上海交通大學(xué)血液研究所在BSRF上開展研究，成功揭示了As2O3（砒霜）治療急性早幼粒細(xì)胞性白血病的分子機理。
圖7 BES Ⅲ 發(fā)現(xiàn)的帶電類粲偶素Zc(3900)
圖8 砒霜治療急性早幼粒細(xì)胞性白血病的分子機理
BEPCII在高性能開展高能物理取數(shù)和同步輻射用戶實驗的同時，不斷完善和改進(jìn)整體性能，對撞亮度逐步提高，2016年4月在1.89GeV的能量下峰值亮度達(dá)到設(shè)計指標(biāo)1×1033cm–2s–1，為改造前BEPC在該能量下的100倍，是CESRc的14倍，是粲能區(qū)（質(zhì)心系能量Ecm=3–5GeV）世界上亮度最高的正負(fù)電子對撞機。
圖9 世界上工作在不同能區(qū)正負(fù)電子對撞機的亮度
BEPCII/BESⅢ將在今后8–10年間取得更多物理成果，實現(xiàn)并擴展其科學(xué)目標(biāo)。BESⅢ計劃獲取100億J/ψ事例、30億ψ(3680)事例、20fb–1的ψ(3770)事例和(5–10)fb–1的高能區(qū)粲偶素事例，約分別為BESⅢ之前國際上擁有的相應(yīng)數(shù)據(jù)總量的170倍、100倍、20倍和8–16倍，并將進(jìn)行τ質(zhì)量和R–值的精確測量。這就要求加速器繼續(xù)提高峰值亮度和積分亮度，探測器不斷改進(jìn)性能、提高測量精度，共同提高取數(shù)效率。BEPCII/BESⅢ作為世界上唯一運行在粲能區(qū)的強子工廠，將系統(tǒng)開展輕強子譜的深入研究，預(yù)期在多夸克態(tài)、膠球、混雜態(tài)的尋找和研究上有所突破，對BES和其他實驗已發(fā)現(xiàn)的一些新的共振態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，確定其性質(zhì)；系統(tǒng)研究粲偶素和類粲偶素能譜，J/ψ、ψ(3680)、χcJ、ηc(2S)、hc等粲偶素的產(chǎn)生和衰變性質(zhì)；研究類粲偶素粒子的性質(zhì)，尋找含粲夸克的奇特介子態(tài)；尋找和研究新的重子激發(fā)態(tài)；精確測量CKM矩陣元；尋找和測量ψ(3770)到非DD的衰變模式，確定其分支比；把此能區(qū)R值的測量精度提高到1–2%，探索新的物理現(xiàn)象和新規(guī)律等。發(fā)揮BEPCII/BESⅢ在粲能區(qū)具有的獨特優(yōu)勢，有望在以上這些前沿有所突破，并對BESⅡ和其他實驗已發(fā)現(xiàn)的一些新的共振態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，取得具有世界領(lǐng)先水平的重大物理成果，并為粲能區(qū)非微擾量子色動力學(xué)和弱電相互作用的研究以及新物理的尋找提供重大的發(fā)展機遇。在未來的5–10年里，高能所將基于BEPCII/BESⅢ，繼續(xù)加強國內(nèi)外合作，建設(shè)一個國際領(lǐng)先的粲物理實驗研究中心。
