圖1 BEPC 鳥瞰
北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）是我國(guó)改革開放中建設(shè)的第一臺(tái)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(guó)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(guò)去也好，今天也好，將來(lái)也好，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”。對(duì)撞機(jī)的建設(shè)者們沒(méi)有辜負(fù)小平同志的殷切期望，BEPC在建成后立即投入運(yùn)行，性能在國(guó)際上τ–粲能區(qū)的對(duì)撞機(jī)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(cè)量、R–值測(cè)量和新粒子X(jué)(1835)的發(fā)現(xiàn)等重要成果。BEPC的豐碩成果，得到國(guó)內(nèi)外高能物理界的高度評(píng)價(jià)，也引發(fā)了在粲物理領(lǐng)域研究的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。在國(guó)家的大力支持下，我們制訂了中國(guó)高能物理發(fā)展戰(zhàn)略，依靠全所同事的齊心努力，實(shí)現(xiàn)了從BEPC到BEPCII的發(fā)展，繼續(xù)保持我國(guó)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(tái)單個(gè)儲(chǔ)存環(huán)的對(duì)撞機(jī)，在它的儲(chǔ)存環(huán)里只有一對(duì)正負(fù)電子束團(tuán)進(jìn)行對(duì)撞，因此也限制了對(duì)撞亮度的提高。為了提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，我們提出了BEPC亮度提高的計(jì)劃。開始時(shí)，我們的方案是利用兩組靜電分離器，在儲(chǔ)存環(huán)里形成麻花狀的軌道，這樣就可以在一個(gè)環(huán)里儲(chǔ)存7–9對(duì)正負(fù)電子束團(tuán)，在相互作用點(diǎn)進(jìn)行對(duì)撞。這個(gè)麻花軌道的改造方案，在理論上可以把對(duì)撞機(jī)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(wèn)美國(guó)。在康奈爾大學(xué)，我們得知那里的一臺(tái)原先在束流能量為5.6GeV的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)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(cè)器CLEO改造為CLEO-c，同BEPC爭(zhēng)奪粲能區(qū)豐富的物理“礦藏”。CESRc的設(shè)計(jì)亮度也是3×1032cm–2s–1，而且是一個(gè)“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(gè)情況后說(shuō)：“Lifeisinteresting”，鼓勵(lì)我們接受挑戰(zhàn)，敢于同國(guó)際對(duì)手競(jìng)爭(zhēng)。
回國(guó)以后，我們召開了BEPC全體人員大會(huì)，報(bào)告了訪問(wèn)康奈爾大學(xué)的情況和對(duì)方CESR-c的計(jì)劃，提出要迎難而上，提高BEPC改進(jìn)方案的指標(biāo)，在競(jìng)爭(zhēng)中取得主動(dòng)權(quán)。經(jīng)過(guò)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(guó)在粲物理領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，我們提出了新的改造方案，采用國(guó)際先進(jìn)的雙儲(chǔ)存環(huán)、大交叉角對(duì)撞，同時(shí)要新建一臺(tái)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(duì)撞機(jī)重大改造工程（BEPCII）。BEPCII的設(shè)計(jì)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(jìng)爭(zhēng)力。隨后，我們又召開了BEPCII可行性研究的國(guó)際評(píng)審會(huì)所學(xué)術(shù)委員會(huì)擴(kuò)大會(huì)議，對(duì)方案進(jìn)行了深入的評(píng)審和討論，形成了共識(shí)。
BEPCII建設(shè)的主要任務(wù)是在BEPC已有隧道內(nèi)，建造國(guó)際上先進(jìn)的雙環(huán)對(duì)撞機(jī)，在質(zhì)心系能量3.77GeV時(shí)達(dá)到1×1033cm–2s–1；與BEPCII高計(jì)數(shù)率運(yùn)行的要求相配合，建造新北京譜儀BESⅢ，大幅度提高測(cè)量精度，減少系統(tǒng)誤差；同時(shí)，要對(duì)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(cè)量，同時(shí)探索新的物理現(xiàn)象，為我國(guó)在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)保持粲物理研究的國(guó)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(yùn)行后，能獲取比BEPC已有的J/ψ、ψ(3686)和ψ(3770)等事例高兩個(gè)量級(jí)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(jī)兩用，其高流強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)有助于在兼用和專用模式下為用戶提供高通強(qiáng)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(jì)方案到實(shí)際對(duì)撞機(jī)
BEPCII于2004年初開工建設(shè)，就此拉開了一場(chǎng)高能物理領(lǐng)域的激烈競(jìng)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(duì)于提高對(duì)撞亮度提供了有利的條件，同時(shí)也給加速器物理和技術(shù)上帶來(lái)一系列的挑戰(zhàn)。
面對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們?cè)贐EPCII在總體上和各個(gè)系統(tǒng)中采用了一系列的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)和技術(shù)，在較短的周長(zhǎng)、擁擠的對(duì)撞區(qū)和窄小的隧道里實(shí)施了雙環(huán)方案，并采用“內(nèi)外橋”聯(lián)接兩個(gè)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(jī)兩用”的要求?？蒲泄こ倘藛T發(fā)揚(yáng)了BEPC建設(shè)中形成的團(tuán)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(lái)的工業(yè)發(fā)展和科技進(jìn)步，圓滿完成了各項(xiàng)重大改造工程的建設(shè)任務(wù)。
北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)流電子槍和高產(chǎn)額正電子源，完善了各個(gè)子系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)7個(gè)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(yùn)行，開始為BEPC的最后一輪同步輻射實(shí)驗(yàn)提供束流。
2005年6月底，最后一輪同步輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)束，BEPC圓滿完成了歷史使命。7月4日，工程團(tuán)隊(duì)開始儲(chǔ)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(gè)月的時(shí)間，當(dāng)年9月就完成了兩個(gè)儲(chǔ)存環(huán)的主體設(shè)備安裝。由于我們?cè)诘蜏爻瑢?dǎo)方面的技術(shù)儲(chǔ)備不足、缺乏經(jīng)驗(yàn)，協(xié)作單位承擔(dān)的低溫系統(tǒng)的漏熱量太大，致使對(duì)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(duì)撞區(qū)超導(dǎo)磁鐵的方案，抓緊時(shí)間開始束流調(diào)試工作，并于2007年3月實(shí)現(xiàn)了正負(fù)電子對(duì)撞。與此同時(shí)，低溫系統(tǒng)的改造與超導(dǎo)磁鐵的測(cè)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(duì)撞區(qū)。2007年10月BEPCII儲(chǔ)存環(huán)開始帶對(duì)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(duì)撞成功，觀察到了正負(fù)電子對(duì)撞產(chǎn)生的物理事例，2009年5月對(duì)撞亮度達(dá)到驗(yàn)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(chǔ)存環(huán)
圖5 安裝在對(duì)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(hào)同步輻射實(shí)驗(yàn)大廳的部分光束線和實(shí)驗(yàn)站轉(zhuǎn)移到電子束處于外環(huán)的12號(hào)實(shí)驗(yàn)大廳，還新建了兩臺(tái)插入件扭擺磁鐵、相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)站和15號(hào)同步輻射實(shí)驗(yàn)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(gè)量級(jí)。當(dāng)時(shí)，上海光源也在建造之中，國(guó)內(nèi)的同步輻射用戶面臨無(wú)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(jì)劃，將設(shè)備拆裝和調(diào)束運(yùn)行交替進(jìn)行，在BEPCII工程建設(shè)階段，BEPC和BEPCII一共為國(guó)內(nèi)外用戶提供了四輪共五個(gè)月的同步輻射專用光實(shí)驗(yàn)，完成約700個(gè)課題，取得了豐碩的成果。
2009年7月BEPCII通過(guò)了國(guó)家竣工驗(yàn)收。李政道先生發(fā)來(lái)賀信中說(shuō)：“這是中國(guó)高能物理實(shí)驗(yàn)研究的又一次重大飛躍，為中國(guó)在粲物理研究和τ輕子高能研究方面，繼續(xù)在國(guó)際上居于領(lǐng)先地位打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)”。我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，美國(guó)康奈爾大學(xué)CESR-c的負(fù)責(zé)人的賴斯教授也發(fā)來(lái)郵件表示祝賀，說(shuō)：“由于CLEO-c將終止運(yùn)行，我們期待來(lái)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(yùn)行，既是一臺(tái)在粲能區(qū)國(guó)際領(lǐng)先的高能物理實(shí)驗(yàn)裝置，又是一臺(tái)高性能的同步輻射裝置。
在高能物理實(shí)驗(yàn)方面，BEPCⅡ自2008年開始運(yùn)行以來(lái)，發(fā)揮高亮度對(duì)撞機(jī)和高性能探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)，日均獲取的數(shù)據(jù)量較改造前提高2個(gè)數(shù)量級(jí)。BESⅢ實(shí)驗(yàn)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(gè)能量點(diǎn)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(gè)國(guó)家的50多所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)（其中中國(guó)33個(gè)單位）的400余名科學(xué)家組成的BESⅢ國(guó)際合作組是以我為主的重大國(guó)際合作，在輕強(qiáng)子譜的研究、粲偶素的衰變等方面取得多項(xiàng)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(guó)際高能物理界的高度評(píng)價(jià)，被美國(guó)《物理》雜志評(píng)選為2013年國(guó)際物理領(lǐng)域重要成果，列11項(xiàng)成果之首。
在同步輻射應(yīng)用方面，為國(guó)內(nèi)外24個(gè)研究機(jī)構(gòu)的用戶提供了20輪專用光，總供束時(shí)間約2萬(wàn)小時(shí)，完成近5000個(gè)用戶課題。自2010年3月起，BEPCII在開展高能物理實(shí)驗(yàn)同時(shí)，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(jī)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(jī)理
BEPCII在高性能開展高能物理取數(shù)和同步輻射用戶實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，不斷完善和改進(jìn)整體性能，對(duì)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(jì)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(duì)撞機(jī)。
圖9 世界上工作在不同能區(qū)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的亮度
BEPCII/BESⅢ將在今后8–10年間取得更多物理成果，實(shí)現(xiàn)并擴(kuò)展其科學(xué)目標(biāo)。BESⅢ計(jì)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(guó)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(cè)量。這就要求加速器繼續(xù)提高峰值亮度和積分亮度，探測(cè)器不斷改進(jìn)性能、提高測(cè)量精度，共同提高取數(shù)效率。BEPCII/BESⅢ作為世界上唯一運(yùn)行在粲能區(qū)的強(qiáng)子工廠，將系統(tǒng)開展輕強(qiáng)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(duì)BES和其他實(shí)驗(yàn)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(cè)量CKM矩陣元；尋找和測(cè)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(cè)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望在以上這些前沿有所突破，并對(duì)BESⅡ和其他實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(jī)遇。在未來(lái)的5–10年里，高能所將基于BEPCII/BESⅢ，繼續(xù)加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外合作，建設(shè)一個(gè)國(guó)際領(lǐng)先的粲物理實(shí)驗(yàn)研究中心。
