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紀(jì)念文章

我為BEPC/BES 的成功點(diǎn)贊

——紀(jì)念BEPC 對(duì)撞成功30 年

發(fā)表日期:2018-10-11高能所 李金來源:放大 縮小

  BESIτ輕子質(zhì)量精確測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)生在1991年秋至1992年冬。1992年向國(guó)內(nèi)外宣布了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果。最初在199211月的PRLPhysicsReviewLetter)發(fā)表,以后在1996年的PRDPhysicalReviewD)上發(fā)表了最終的物理結(jié)果。要知道PRLPRD都是粒子物理界頂尖的學(xué)術(shù)刊物。為了能讓我國(guó)的物理成果能在國(guó)內(nèi)更早的時(shí)間發(fā)表,我特意用中文撰寫了在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPC)上的τ質(zhì)量實(shí)驗(yàn)測(cè)量一文,199210月刊登在我國(guó)的學(xué)報(bào)高能物理與核物理上。這一實(shí)驗(yàn)測(cè)量不僅將精度提高了近一個(gè)量級(jí),更重要的是發(fā)現(xiàn)了以前的實(shí)驗(yàn)測(cè)量有重大偏差,從而在解決粒子物理的重要物理原理——“輕子弱作用的普適性原理的危機(jī)中起到了關(guān)鍵作用,也更促進(jìn)了τ輕子衰變壽命及衰變分支比的進(jìn)一步研究。這一實(shí)驗(yàn)成果震動(dòng)了國(guó)際高能物理界,成為1992年國(guó)際高能物理領(lǐng)域最重要的成果之一,其τ輕子質(zhì)量的數(shù)據(jù)被權(quán)威的《粒子數(shù)據(jù)手冊(cè)》所采納,并保持20多年的領(lǐng)先地位,直到2014BES發(fā)表最新的τ輕子質(zhì)量測(cè)量結(jié)果。論文被上百次地引用,測(cè)量方案也被西歐核子中心(CERN)所采納,實(shí)驗(yàn)得到國(guó)際高能物理界的廣泛贊譽(yù)和高度評(píng)價(jià),一舉讓中國(guó)在高能物理實(shí)驗(yàn)研究中占有了重要的一席之地。一時(shí)間τ輕子質(zhì)量測(cè)量實(shí)驗(yàn)成為BES實(shí)驗(yàn)的代名詞。不少高能物理界的同行是從τ輕子質(zhì)量測(cè)量知道北京譜儀BES的。特別得到了李政道先生的稱贊,李先生稱:這是最近一段時(shí)間高能物理領(lǐng)域最重要的實(shí)驗(yàn)成果之一。法國(guó)科學(xué)院院士M.Davier,國(guó)際τ物理方面的專家,知道我們的物理結(jié)果后非常高興,特地寫信給我,高度評(píng)價(jià)了我們的實(shí)驗(yàn)成果,祝賀我們的成功,這讓我感到無比的興奮,也為我作為BES一員而無比榮幸。在國(guó)內(nèi),該研究項(xiàng)目獲得了1992年中科院自然科學(xué)一等獎(jiǎng),1995年國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)和1993年中國(guó)物理學(xué)會(huì)吳有訓(xùn)物理獎(jiǎng)。被評(píng)為1992年中國(guó)十大科技新聞之一和十大科技成果之一。 

  作為BES一員的我,負(fù)責(zé)并參與了該實(shí)驗(yàn)研究的整個(gè)過程,至今歷歷在目,為成功的實(shí)驗(yàn)而自豪,更要為BEPC/BES的成功實(shí)驗(yàn)點(diǎn)贊。 

  1.正確的選題,及時(shí)地抓住機(jī)遇 

  BES是一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)裝置,可以進(jìn)行研究的課題很多,但必須選取意義重大,科學(xué)界共同關(guān)心并影響廣泛而深遠(yuǎn)的領(lǐng)域或課題。 

  19916月,我到法國(guó)Orsay參加由Orsay研究所所長(zhǎng)M.Davier組織的4屆國(guó)際重味物理研討會(huì),在會(huì)上做了關(guān)于BEPC/BES的物理研究的報(bào)告,題目為BESresultsonJ/ψdecayintoγK+Kωπ+π。在向國(guó)外高能物理界介紹BEPC/BES的同時(shí),我在會(huì)上了解到國(guó)際高能物理界對(duì)精確測(cè)量τ輕子質(zhì)量的迫切要求,認(rèn)識(shí)到測(cè)量τ輕子質(zhì)量的重要意義,也深深感受到高能物理界對(duì)我們BEPC/BES的希望?;貒?guó)后我就全身心地投入到τ輕子質(zhì)量測(cè)量的工作中。在那個(gè)時(shí)期,國(guó)際上對(duì)τ輕子的壽命和衰變分支比做了大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量,特別是西歐核子中心(CERN)的幾個(gè)重要實(shí)驗(yàn)組的出色工作,獲得到了一批有關(guān)τ輕子壽命和衰變分支比新的結(jié)果。然而,依據(jù)當(dāng)時(shí)人們認(rèn)可的τ輕子質(zhì)量測(cè)量數(shù)據(jù),這三者之間的關(guān)系有很大的矛盾。如果不是τ輕子的質(zhì)量不對(duì),就一定是τ輕子弱作用普適性原理有問題,一時(shí)間粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型理論的普適性原理出現(xiàn)嚴(yán)重危機(jī)!為應(yīng)對(duì)這一重大原理的危機(jī),人們對(duì)以前的τ輕子質(zhì)量的測(cè)量提出質(zhì)疑。當(dāng)時(shí),正在運(yùn)行的BEPCBES是唯一有可能對(duì)τ輕子質(zhì)量進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量的裝置。國(guó)際高能物理界自然都把目光投向了我們。M.Davier教授就是其中的一位,當(dāng)正在高能所訪問的M.Davier知道我們計(jì)劃并準(zhǔn)備進(jìn)行τ輕子質(zhì)量的測(cè)量時(shí),在負(fù)責(zé)BEPC運(yùn)行的負(fù)責(zé)人于鴻璇陪同下特地找到我,一方面表達(dá)了他對(duì)τ輕子質(zhì)量測(cè)量的關(guān)心,另一方面,仔細(xì)地向我了解測(cè)量方案和可能達(dá)到的測(cè)量精度,并十分滿意我們的準(zhǔn)備工作。當(dāng)然也提出了他對(duì)實(shí)驗(yàn)的一些考慮并預(yù)祝我們實(shí)驗(yàn)?zāi)苋〉贸晒Α?/span> 

  經(jīng)BES合作組內(nèi)及高能所內(nèi)各種類型研討會(huì)的深入討論,深刻分析了測(cè)量的困難,解決的方案,特別是提高測(cè)量精度的可能性和可行性等。果斷決定暫時(shí)中斷部分原計(jì)劃的課題研究,從1991年下半年開始,將BEPC轉(zhuǎn)向τ輕子質(zhì)量能區(qū),將BES力量集中到τ輕子質(zhì)量的測(cè)量上。歷史證明,當(dāng)時(shí)的決定非常正確,非常及時(shí)。抓住了歷史的機(jī)遇,抓住了BES在高能物理領(lǐng)域可能占有一席之地的機(jī)遇。 

  2.充滿信心與決心,敢于迎接挑戰(zhàn) 

  τ輕子是一種壽命極短的粒子,必須人為地在正負(fù)電子對(duì)撞中產(chǎn)生,同時(shí)又要通過探測(cè)它的衰變產(chǎn)物來抓住它,最后還要設(shè)法精確地測(cè)量它的質(zhì)量, 

  顯然不是一件容易的事。從幾個(gè)方面可以看到其困難程度: 

  1τ輕子的壽命極短(10–13秒)不可能在自然界獲得,但可以在正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上產(chǎn)生。BEPC的能量正好可以產(chǎn)生τ輕子。但產(chǎn)生后又立即衰變,是稍縱即逝的粒子。另外,測(cè)量需要在剛剛能夠產(chǎn)生正反τ輕子對(duì)的對(duì)撞能量下進(jìn)行,也就是專業(yè)上的附近。然而這是產(chǎn)生τ輕子幾率最少的地方,在幾個(gè)月的時(shí)間里,盡管BEPC晝夜不停運(yùn)行,即讓正負(fù)電子不停地對(duì)撞,也只可能有幾個(gè)τ輕子能夠產(chǎn)生并探測(cè)到它。僅有幾個(gè)τ輕子粒子就能準(zhǔn)確測(cè)量其質(zhì)量嗎? 

  2τ輕子的質(zhì)量最終是由BEPC束流的能量來決定的。可是BEPC束流能量本身的彌散(也就是專業(yè)上稱的束流能散)就有34MeV,然而質(zhì)量測(cè)量的精度和不確定度至少要小于0.5MeV,僅為束流能散的十分之一。我們的BEPC對(duì)撞機(jī)能滿足實(shí)驗(yàn)的要求嗎?采取哪些手段或措施才能減少束流能散帶來的測(cè)量誤差? 

  3)雖然實(shí)驗(yàn)要在產(chǎn)生正反τ輕子對(duì)的能量下進(jìn)行,但我們并不知道這個(gè)在哪里。如何在有限的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間能盡快地找到這個(gè),并在這一能量下高效地探測(cè)到τ輕子是這一課題的關(guān)鍵。我們能做的嗎?要知道,太長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行也會(huì)因?yàn)?/span>BEPCBES的穩(wěn)定性而帶來額外的測(cè)量誤差。 

  4)獲得τ輕子質(zhì)量,必須要知道對(duì)τ輕子的探測(cè)效率,當(dāng)然,BES探測(cè)τ輕子衰變粒子的效率不可能是100%,而要想知道探測(cè)效率也不是一件很容易的事情。特別是在閾值附近,不可能利用探測(cè)到的幾個(gè)事例獲得精確的效率。如何精確地知道τ輕子的探測(cè)效率?也是很大的挑戰(zhàn)。 

  由于以上的困難,一些人對(duì)做這樣的實(shí)驗(yàn)測(cè)量提出疑問是很自然的。為此,高能所還專門組織了好幾次論證會(huì)。還有一些人擔(dān)心,如果測(cè)量精度達(dá)不到十年前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如何面對(duì)國(guó)家,如何面對(duì)國(guó)際?勸我們不要冒這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。更有甚者,在實(shí)驗(yàn)測(cè)量開始的那天早上,我在BES值班室還接到規(guī)勸我的電話。希望不要冒這個(gè)險(xiǎn),繼續(xù)將BEPC運(yùn)行在J/ψ穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)做沒有風(fēng)險(xiǎn)的J/ψ物理分析等。實(shí)際上,我們已經(jīng)分析了所有這些問題和困難,并仔細(xì)地做了模擬計(jì)算。我指導(dǎo)的學(xué)生李玉山做了詳盡的實(shí)驗(yàn)方案論證,考慮到幾乎所有的可能,預(yù)先給出不同積分亮度下、不同方案下可獲得的質(zhì)量精度,并發(fā)表了研究論文。我們的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)方案,不僅是成功地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),也增強(qiáng)了我們的必勝信心。 

  應(yīng)該指出,盡管做了大量的分析研究,提出了各種解決方案,但科學(xué)實(shí)驗(yàn)任然有失敗的可能,有達(dá)不到的預(yù)期結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)。這時(shí)需要的就是決心了,有敢于負(fù)責(zé),敢于承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn),才能最后有勇氣迎接挑戰(zhàn)。 

  3.只有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)和成果才能走向世界 

  τ輕子質(zhì)量測(cè)量中,我們深深地體會(huì)到,有了抓住機(jī)遇的決心和敢于迎接挑戰(zhàn)的信心還不夠,必須有一系列的創(chuàng)新方案和措施才能發(fā)現(xiàn)原來實(shí)驗(yàn)的偏差,才能將精度大幅度提高,才能獲得世界一流的成果。 

  我們將數(shù)據(jù)分析中的最大似然法應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中,物理專業(yè)中稱之為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)DataDriven)。這一方法的應(yīng)用確保了我們沿正確的方向去尋找產(chǎn)生τ輕子的,而且加快了逼近這個(gè)的速度。 

  當(dāng)然,好的實(shí)驗(yàn)方案,如果不結(jié)合具體情況,不考慮對(duì)撞機(jī)和探測(cè)器的實(shí)際,也不可能達(dá)到預(yù)期結(jié)果。我們做了大量模擬研究,將BEPCBES的各種參數(shù)與創(chuàng)新的方案相結(jié)合,最后得到正確的實(shí)驗(yàn)方案。 

  雖然將數(shù)據(jù)分析中常用的最大似然法應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)運(yùn)行方案中,但也不完全依賴它。在實(shí)驗(yàn)中仍然充分發(fā)揮人的聰明才智,積極地對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行及時(shí)指導(dǎo)或者干預(yù),從而大大減少了測(cè)量的統(tǒng)計(jì)誤差,克服了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的不足。 

圖1 李政道先生手中拿的“τ輕子質(zhì)量測(cè)量”的兩維擬合圖

  在創(chuàng)新的方案之外,物理和數(shù)據(jù)分析中還采用了許多過去實(shí)驗(yàn)所沒有考慮的措施。例如,在理論計(jì)算中考慮到附近正負(fù)τ輕子對(duì)之間的庫(kù)倫效應(yīng);在實(shí)驗(yàn)中不僅注意到束流能量的彌散,而且考慮該彌散與束流強(qiáng)度,束流能量的關(guān)系;在數(shù)據(jù)處理中采用特殊的數(shù)據(jù)處理流程以保證DataDriven方案能利地實(shí)施;為了克服BES探測(cè)器在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中的不足,不能有效精確地測(cè)定積分亮度和探測(cè)效率,又采用了雙參數(shù)的擬合方法,取得了非常好的效果等等。圖1中李政道先生拿τ輕子質(zhì)量的圖就是為避免在效率和亮度測(cè)量不足而采用兩維擬合曲線的立體圖。 

  30多年過去了,現(xiàn)在回想起來好像實(shí)驗(yàn)就發(fā)生在昨天。在這創(chuàng)新的新時(shí)代,基礎(chǔ)大科學(xué)的研究中更要有新的擔(dān)當(dāng),新的作為,敢于承擔(dān),勇于創(chuàng)新,創(chuàng)新是科學(xué)研究的基礎(chǔ),只有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)研究才能獲得一流的科學(xué)成果。 

   (本文在“紀(jì)念北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)建成30周年有獎(jiǎng)?wù)魑幕顒?dòng)”中榮獲二等獎(jiǎng)。)

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