.北京正负电子对撞机及其重大改造工程[J].中国科学院院刊,2012,(Z2):36-45.
北京正负电子对撞机及其重大改造工程
北京正负电子对撞机及其重大改造工程
北京正负电子对撞机及其重大改造工程
科学背景
粒子物理学是研究物质结构的最小单元构成及其相互作用规律的前沿学科，在宇宙的起源和进化、天体的形成和演化等许多领域的研究中起着十分重要的作用，有力地带动了各相关学科的发展。20世纪50年代以来，粒子物理实验一直是国际上基础科学研究的前沿之一，目前粒子物理还有许多未解决的问题，特别需要实验验证。要从实验上研究基本粒子的内部结构，就必须能够深入探测到粒子的内部，设法用“炮弹”打碎“基本粒子”。
从实验手段讲，粒子物理的发展方向可分为基于加速器的和不基于加速器的研究。高能加速器可以产生高能量带电粒子，轰击物质内部，探索粒子内部的奥秘。为达到更高的能量，降低造价，科学家们想到了用两束高能粒子相撞，从而使打碎“基本粒子”的能量更高，这就是对撞机。当前，粒子加速器的发展有两个前沿，一是高能量前沿，即向更高的质心能量推进，探索物质结构更深层次，研究新现象和新物理；另一个是高亮度前沿，即在已达到的能区向更高的亮度推进，以便在更大的数据统计下进行更深入、更细致的研究。在加速器的高能量前沿，有大型强子对撞机（目前世界上最大的粒子对撞机在欧洲核子研究中心，两束质子对撞，质心能量为14TeV，周长约27公里）和正在设计研究中的直线对撞机和缪子对撞机等。在高亮度前沿，主要有各种高亮度的环形正负电子对撞机，包括工作在B介子能区的B-工厂和Φ粒子能区的Φ-工厂以及τ-粲能区的τ-粲工厂。北京正负电子对撞机是一台在τ-粲世界上亮度最高的对撞机，处于高亮度前沿。
粒子物理的基本理论是Glashow、Weinberg和Salam提出的“标准模型”。标准模型统一了电磁相互作用和弱相互作用，称为电弱相互作用，并预言了传播弱相互作用的粒子Z和W±。标准模型获得了巨大的成功，迄今为止所有的粒子物理实验结果都与标准模型的预言一致。但是标准模型不是粒子物理理论的终结，标准模型还有许多问题有待解决，如Higgs粒子是标准模型中最关键的粒子，赋予了轻子和夸克的质量，但是迄今为止尚未发现；还有量子色动力学的问题和CP破坏（Charge-parity violation）问题。因此，精确检验标准模型，并探索突破标准模型的新物理现象，是当今国际粒子物理实验研究的焦点，预期通过高能物理实验，可取得原创性的突破进展。
北京正负电子对撞机（BEPC）
北京正负电子对撞机（Beijing Electron-Positron Collider，BEPC）于1988年建成，是我国唯一的一台高能粒子对撞机，主要进行高能物理实验研究，同时还可进行同步辐射实验研究、中能核物理实验研究和慢正电子实验研究等，属于多功能的大型科学实验装置。
立项
1972年8月，以张文裕院士为首的18位科学家上书周恩来总理，建议建立我国自己的粒子物理实验基地。该建议立即得到周总理的支持。根据总理指示，中科院高能物理所于1973年2月正式成立。
1975年3月，国家批准了高能加速器预研基地的建设计划（七五三工程），但不久因各种原因而停止；1977年11月，中央批准建造一台50 GeV的质子同步加速器，代号为“八七工程”，后因工程规模过于庞大而下马。科学家们经过反复论证，建议建造一台2×2.8 GeV的正负电子对撞机（BEPC），同时利用高速运转的电子在轨道弯曲处产生的同步辐射光做实验，实现“一机两用”。该方案在方毅同志的主持下，经过反复论证，最终得到邓小平同志的肯定。1983年4月国务院批准了该计划，1984年10月7日BEPC工程破土动工。
BEPC主要由注入器——电子直线加速器、输运线、储存环、北京谱仪（BES）和北京同步辐射装置（BSRF）组成。它的建造主要依靠我国自己的力量完成。1988年10月16日，BEPC首次实现了正负电子对撞。科学家和工程人员仅用4年就建成了我国第一台正负电子对撞机，其建造速度达到了当时国际高能加速器的建造水平。以著名物理学家王淦昌院士为首的近40位全国著名的物理和加速器专家组成国家技术鉴定委员会，认为该装置：“主要技术指标和性能参数已达到或超过设计要求，具有80年代国际先进水平”。
BEPC工程成功的意义已远远超出了其本身的科学意义，成为改革开放下振奋精神、自力更生、艰苦创业的典范。
运行BEPC建成后有两种运行模式：
高能物理实验运行——正负电子在储存环的对撞点实现对撞，束流能量为1—2.8 GeV，在1.89GeV时对撞亮度达1×1031cm2s-1，建成后在τ-粲能区居国际领先地位。安装在BEPC对撞区的北京谱仪BES，是一台高性能的大型综合性磁谱仪，探测正负电子对撞产生的事例，进行数据分析，深入开展τ-粲物理研究；
同步辐射专用光实验运行——电子在储存环中运行，在弯转磁铁和扭摆磁铁处发射出同步辐射光，经过特殊的前端区和光束线引到实验站进行多学科实验研究。电子束的能量为2.2—2.5 GeV，同步辐射光具有强度高，准直性好，能量范围广（从深紫外到硬X光）等优异特性，是一种在原子和分子层次研究物质结构的高性能光源。
目前，还实现了第三种运行模式——兼用光模式，即在进行高能物理实验运行的同时，开展同步辐射实验，大大增加了同步辐射用户的实验时间，现已取得了初步成果。
BEPC每年运行9个月以上，每天24小时开机运行。依托BES形成了以我国为主的大型国际合作组——BES国际合作组，包括国内的20多所大学和研究机构，以及美国、日本、俄罗斯、德国的10多所大学和研究所，共同开展物理分析和研究。每年在中国召开BES国际合作组会议，确定实验方案，交流物理分析结果。BES已获得了大批重要的物理结果，在τ-粲物理的实验研究处于国际领先地位。
BSRF实验涉及的学科非常广泛，其研究领域涵盖了物理、纳米科学、材料科学、信息科学、化学化工、生命科学、资源环境、医学等，每年有来自国内外的近百个研究机构和大学的1 000多名用户在BSRF进行400多个课题实验，每年的实验时间在3个月左右。BSRF也是国家纳米中心的协作实验室。
另外，在直线加速器的末端还建立了中能核物理实验装置，在储存环进行高能物理或同步辐射实验期间，将电子束偏转到核物理试验站，开展束流实验和辐照实验；或将正电子束偏转到实验站，开展纳米材料、先进半导体、核材料和高分子材料领域的研究。
1990年国家批准建立BEPC国家实验室，负责BEPC的运行和对外开放。BEPC国家实验室设立了学术委员会，学术委员会设高能物理、同步辐射和粒子加速器3个分委员会，对BEPC的运行改进和开放利用提供咨询意见。
研究综述
BEPC既是一台大型高能物理实验装置，又是一台多学科实验平台，可开展同步辐射实验、核物理实验和慢正电子实验等科学研究。BEPC自1988年实现首次对撞以来，经过20年的实验运行，取得了一批科研成果，其中一些研究成果在国际上产生了重大影响，例如：
1990年，BEPC工程获国家科技进步奖特等奖。BEPC的建造成功被称作是继原子弹、氢弹、导弹、人造卫星等之后，我国取得的又一伟大成就。国外的科学家称，这是“中国科学发展的伟大进步，是中国高能物理发展的里程碑”。
作为“八七工程”的预研项目，高能所建造了国内第一台质子直线加速器，培养出了加速器队伍和专家，并有能力参与国外的加速器设计和建造工作。1991年，北京35 MeV质子直线加速器获国家科技进步奖一等奖。
BEPC上完成的2—5 GeV正负电子湮灭到强子反应截面的精确测量（R值）精度比国际上的实验提高了2—3倍。该成果对粒子物理标准模型的精确检验有重要贡献，对与物质质量起源密切相关的Higgs粒子质量的预言产生了重大影响。2004年，该成果获国家自然科学奖二等奖。
1993年，北京谱仪-τ轻子质量的精确测量获中科院自然科学奖一等奖。测量精度比国际上原有结果提高了5倍，被认为是“近期国际高能物理领域最重要的实验结果之一”。BEPC上产生的物理成果越来越受重视，国际权威粒子数据表PDG已引用了BES成果420余项，表明我国在粲物理领域的研究已处于国际领先地位。
BES实验已发现 5 个多夸克态新强子候选者，尤其是X（1835）被PDG认为可能是质子-反质子束缚态；发现X（1810）和X（1580）两个新共振结构，可能来源于多夸克态或其他新型强子，在国际高能物理界引起很大反响。
2003年，科学家通过在BSRF和其他装置上实验，获得了具有重要生物学意义的SARS冠状病毒蛋白酶大分子结构，这是世界上首次解析出SARS冠状病毒蛋白酶的三维结构。其成功，对于SARS的预防和治疗，具有重要的意义。
中科院生物物理所和植物所的科研人员完成的“菠菜主要捕光复合物的晶体结构”测定工作，在世界上率先测定了这一复合体的三维结构，从而破解了国际公认的、具有高度挑战性的前沿难题。2004年3月18日，Nature以封面文章的形式发表了这项成果。该研究工作中用于解析三维结构的高分辨率衍射数据是在BSRF新建成的生物大分子晶体学线站获得的。这标志着BSRF已有能力为国内自主开展高难度的蛋白质结构解析研究工作提供先进的实验平台。
2007年8月，北京生命科学所柴继杰研究组在Nature发表“The structural basis for activation of plant immunity by bacterial effector protein AvrPto”的文章：利用BSRF获得的第一个细菌效应蛋白AvrPto和植物中对应的抗性蛋白Pto的复合物晶体结构，并基于该结构和相关实验结果，提出了AvrPto通过解除Pto对防御响应的抑制引发疾病抗性的机制。
粒子物理研究属基础科学，具有开放性和广泛国际合作的特点，是引进高新技术的窗口，又是开发新技术的基地。在BEPC建造过程及以后的改造中，许多关键部件采取了世界上独一无二的方法进行研制生产，使国内相关企业在相关技术领域有了较大提高和突破，带动了我国机械、电子等工业技术的发展，大幅提升了国内加速器设备制造及相关高技术产业能力，使我国的加速器建造水平实现了重大跨越。BEPC中大量使用了国际高能物理和加速器领域最先进的技术，填补了我国加速器领域的许多空白。
高能物理的国际合作对我国的网络技术的发展做出了突破性贡献。 1986年8月高能所通过卫星线路实现到欧洲核子研究中心的远程登录；1988年8月建立了北京到欧洲核子研究中心 X.25通讯线路，高能所的计算机进入国际因特网第一个中国节点；1993年建立了高能所到美国加州的64 K卫星数据专线；1994年5月高能所引进www，建立了中国第一个网站。
高能所工厂承接了对撞机大量磁铁的制作，形成了独立自主的制造工艺和技术，批量生产的磁铁质量达到了国际水平，近期出口美国、日本、韩国等国家，获得了国外专家的一致好评。同时，磁铁的磁场测量技术也得到了国外专家的认可，美国专家认为“高能所的磁铁产品的物理性能达到或超出了我们的期望”。高能所生产的各种加速器部件已开辟国内市场并远销欧、亚、美等10多个国家和地区，一些前沿高技术已成功转移到生产企业。已研发的高技术产品有：地那米电子辐照加速器、10 MeV/4—15 kW电子辐照加速器、工业CT、电子帘、正电子断层扫描机PET、医用加速器、医用加速管、各类加速器部件、环境中子监测器、环境γ监测器等。
对撞机涉及的领域非常广泛，国内许多工业界参与了BEPC工程建设，锻炼了队伍，培养了人才，并大幅提升了工业制造水平，特别是在大功率脉冲电源、高稳定性的大功率电源、超高真空技术、高频技术、快电子学技术、束流测量、控制系统、低温技术和超导设备制作等方面，取得了质的飞越。
目前加速器技术的应用范围越来越广，工业辐照加速器、医用加速器、强流加速器等都开始或即将推广应用。小型工业辐照加速器已用于材料、食品等的辐照，取得了很好的经济效益；电子加速器辐照应用于设备消毒，癌症病人的放射性治疗；强流加速器将应用于洁净核能源，造福人类。
BEPC建造的成功标志着我国在大科学工程方面取得突破，它的实验运行取得了丰富的物理研究成果，受到了国外同行的关注，使我国在高能物理的粲物理研究方面获得了世界领先水平。重要国际物理会议多次邀请中国的高能物理学家做大会报告，介绍BEPC的物理成果。
为继续保持我国在粲物理研究方面的领先地位，更好地发挥对撞机的作用，从1993年开始，对BEPC进行了升级改造，改造后对撞机的对撞亮度达到了改造前的2倍，BES的性能也有所提高，提高了高能物理实验的效率，在国际竞争中仍保持领先水平。1999年2月，改造项目通过了中科院组织的验收。鉴定委员会认为“BEPC/BES/BSRF已经达到了此次改进的要求，各项设备和束流性能都达到了设计指标，并在高能物理和同步辐射的实验中得到验证”。
重大改造工程（BEPCII）
2000年高能所提出了我国高能物理和先进加速器发展目标，建议将BEPC进行重大改造，储存环采取“麻花”轨道方式，将对撞亮度提高30倍，投资估算4亿元人民币。后根据国际竞争态势，以及国际高能物理的研究状况及加速器的发展水平，科学家们提出应进一步提高BEPC的亮度，建议采取多种先进技术，使对撞亮度提高100倍，该方案即是BEPCII。BEPCII的建设目标是对BEPC和BES进行重大改造，采用多束团、大交叉角对撞方式，成为当前国际上最先进的双环对撞机之一。BEPCII的设计瞄准国际高能加速器发展前沿，创造性地采用正负电子双环大交叉角对撞和“内外桥”联接两个外半环形成同步辐射环的“三环方案”，在较短的周长和窄小的BEPC隧道里安装双储存环；实现了“一机两用”，并保持原有光束线出口基本不变，最大限度地利用BEPC原有的设施；提出了超导插入磁体和双孔径四极磁铁对撞区创新性设计方案，在很短的距离内实现了正负电子束流的分离和高流强六维束流精确对撞。新建的北京谱仪BESIII，适应BEPCII高计数率运行的要求，大幅提高测量精度和粒子识别能力，减少系统误差，满足在粲能区进行精确测量的要求。BEPCII将为我国在今后相当长的时期内继续保持粲物理研究的国际领先地位，取得原始性创新物理成果奠定基础。BEPCII投资6.4亿元人民币，建设周期5年。
BEPCII的物理窗口属于国际高能物理实验研究的高精度前沿。它的工作能区为2—4.2 GeV，通过高统计、高精度的测量，研究微扰和非微扰量子色动力学及其过渡阶段性质，精确测量CKM矩阵元、研究J/Ψ、Ψ'和Ψ（3770）能区内的稀有衰变，研究轻强子谱，J/Ψ家族和激发态重子等前沿课题， 并寻找胶子球、夸克-胶子混杂态和奇异态等新粒子，探索新的物理现象，对粒子物理的发展具有重大意义。
2003年2月10日，国务院总理办公会议批准了BEPCII项目建议书。12月30日，中科院下发文件同意BEPCII开工建设。考虑到上海同步辐射光源尚未建成，为保证国内广大同步辐射用户研究工作的需要，计划将改造工程分成3阶段进行：直线加速器改造、储存环改造、探测器改造，并克服重重困难，在每个阶段都插入同步辐射运行，首创在大型加速器的建设过程中“边建设边提供同步辐射专用光服务”的国际先例。2004年4月30日，BEPC/ BES结束了15年的科学实验任务，进入BEPCII全面启动阶段。率先改造的是直线加速器，于当年11月19日完成主体改造，电子束调试成功，改造后的BEPC年底开始向所内外同步辐射用户开放。此后，BEPC边运行、边改造，这在国际上尚属首例。储存环从2005年7月开始改造，经过16个月的艰苦努力，于2006年11月9日安装完BEPCII储存环所有主体设备。2008年7月19日，BEPCII与BESIII联合调试对撞成功，观察到了正负电子对撞正负电子湮没到强子的事例，标志着BEPCII圆满完成了建设任务。新建的北京谱仪（BESIII）在BEPCII的高亮度下，运行稳定可靠，获得了高质量的高统计数据。
中科院基础科学局组织专家从2007年12月开始，分别对BEPCII的直线加速器、同步辐射专用模式、BESIII探测器和储存环进行了工艺测试，所有主要性能均达到或超过设计指标：直线加速器的流强、能量、能散、发射度均达到或超过设计指标，并达到了国际同类装置的先进水平；同步辐射专用模式的能量、流强和束流寿命均达到设计指标，并实现了2.5 GeV满能量注入；北京谱仪BES III采用了一系列先进设计、技术和工艺，其主漂移室动量分辨及能损（dE/dx）分辨、电磁量能器的能量分辨和位置分辨、飞行时间计数器的时间分辨、μ子探测器的位置分辨等主要指标都达到了设计要求，并处于国际同类装置的先进水平；储存环的对撞亮度、能量等性能参数达到设计指标，储存环在1.89 GeV能量下，亮度达3.21×1032cm-2s-1。是改造前BEPC亮度的32倍、是此前该能区亮度世界记录的4倍以上，在粲能区处于国际领先地位。
在此基础上，中科院基础科学局和计划财务局于2009年6月4日组织专家对BEPCII进行了工艺鉴定验收，专家委员会认为“经过5年的努力，BEPCII以十分有限的投资，按进度、按指标、按预算、高质量地完成了国家发改委批复的各项建设任务，半年多的试运行表明，BEPCII已成为粲物理能区国际领先的对撞机和高性能的兼用同步辐射装置，成为国际同类装置建设的范例。该工程的建成，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。”
BEPCII投入运行后，性能不断提高，在1.89GeV能量下，对撞亮度达到6.5×1032cm-2s-1，是该能区此前国际最好水平9倍以上。BEPCII采用双环方案是一种成功的选择，在较短的周长和窄小的隧道里既要安放双储存环，又要兼顾同步辐射应用，其建造质量和调试速度达到了国际先进水平。
BESIII是国际上最先进的大型谱仪之一，探测器的多项指标达到国际最好水平。例如，晶体量能器读出电子学噪声、能量与位置分辨率为同类探测器的最好水平；漂移室的能量沉积分辨率、飞行时间计数器的时间分辨、阻性板探测器的噪声均达到国际同类探测器的最好水平。
BEPCII的束流调试、对撞亮度、物理运行和数据质量都达到世界先进水平，获取的J/ψ，ψ′与ψ（3770）数据超过此前国际上最大样本的3—4倍，获得了一大批重要物理成果，发表了一批具有国际影响的物理文章。
BEPCII工程团队坚持自主创新，自主研制的设备超过85%，有力地推动了国内相关高技术领域的发展。在设备的原始创新方面，提出了新型的注入冲击磁铁的设计，满足了束流阻抗和磁场均匀性的要求；在世界上首次研制成功了常规切割型的双孔径四极磁铁；首创了无淋油阻性板探测器技术，解决了国际上阻性板探测器长期存在的寿命与噪声问题；触发系统在国际上率先采用了RocketIO技术，大大简化了系统的复杂性，提高了可靠性及可维护性，降低了造价。在集成创新方面，工程采用和发展的一系列加速器和探测器技术达到了国际先进水平。新建的电子枪实现了强流和小发射度的要求；自主研制成功正电子源采用具有大俘获效率的磁号和直流强磁场获得了高产额的正电子束流，流强比BEPC提高15倍以上，达到了国际先进水平；有效控制储存环真空部件的耦合阻抗，抑制了束团拉伸效应；在国内首次研制成功基于事件的定时系统、逐束团流强测量系统、横向束流反馈系统、500MHz超导高频腔系统，并成功投入加速器运行；自主研制成功超导腔高功率输入耦合器，达到国际先进水平；成功研制对撞区特种磁铁和特殊真空盒，并与BNL联合设计研制了世界上最复杂的紧凑型对撞区超导插入磁体。在北京谱仪BESIII中，自主研制的氦基小单元高性能漂移室不但满足了物理实验的需求，也大大提高了国内精密机械加工的精度；以我为主研制成功了国内最大的单体超导磁体；自行开发的数据获取系统达到100MB/s 的国内最好水平；大规模离线分析系统能自动完成PB量级数据的质量检查、筛选、刻度、重建和模拟，达到了国际先进水平。在通用设施中，在国内首次研制成功了用于大型加速器装置的4.5K低温系统并实现了稳定可靠运行。基于BEPCII发展的加速器和探测器等技术，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，产生了显著的经济效益和社会效益。
BEPCII的成功得到了国内外同行的高度评价，“北京正负电子对撞机重大改造工程获关键性突破”和“北京正负电子对撞机重大改造工程建设任务圆满完成”分别入选2006和2008年“中国十大科技进展新闻”。“北京正负电子对撞机重大改造工程通过国家竣工验收”位列2009年“中国基础研究十大新闻”第一名。李政道教授指出：“BEPCII工程的圆满完成，是中国高能物理实验研究的又一次重大飞跃，为中国在粲物理研究和τ轻子高能研究方面继续在国际上居于领先地位打下了坚实的基础。”美国康奈尔大学加速器负责人D.Rice教授说：“CLEO-c将终止运行，我们期待来自BESIII的一系列重要的物理发现”。
现在，BEPCII上的科技人员正夜以继日地工作，不断提高对撞机的亮度和各子系统和设备的性能，努力实现安全、稳定、可靠的运行，在粲物理能区的高亮度前沿开展高能物理和同步辐射实验，预期每年能获取50亿J/Ψ事例，或20亿Ψ（2S）事例，为粲物理实验研究提供高统计量的数据，实现小的系统误差的精确测量，并探索新的物理现象。预计在投入运行后的3—5年内，将获得若干对世界高能物理研究产生重大影响的创新性物理成果。
