BESI“τ輕子質量精確測量”的實驗研究發(fā)生在1991年秋至1992年冬。1992年向國內外宣布了實驗測量的結果。最初在1992年11月的PRL（PhysicsReviewLetter）發(fā)表，以后在1996年的PRD（PhysicalReviewD）上發(fā)表了最終的物理結果。要知道PRL和PRD都是粒子物理界頂尖的學術刊物。為了能讓我國的物理成果能在國內更早的時間發(fā)表，我特意用中文撰寫了“在北京正負電子對撞機（BEPC）上的τ質量實驗測量”一文，1992年10月刊登在我國的學報“高能物理與核物理”上。這一實驗測量不僅將精度提高了近一個量級，更重要的是發(fā)現了以前的實驗測量有重大偏差，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”的危機中起到了關鍵作用，也更促進了τ輕子衰變壽命及衰變分支比的進一步研究。這一實驗成果震動了國際高能物理界，成為1992年國際高能物理領域最重要的成果之一，其τ輕子質量的數據被權威的《粒子數據手冊》所采納，并保持20多年的領先地位，直到2014年BESⅢ發(fā)表最新的τ輕子質量測量結果。論文被上百次地引用，測量方案也被西歐核子中心（CERN）所采納，實驗得到國際高能物理界的廣泛贊譽和高度評價，一舉讓中國在高能物理實驗研究中占有了重要的一席之地。一時間“τ輕子質量測量實驗”成為“BES實驗”的代名詞。不少高能物理界的同行是從“τ輕子質量測量”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：“這是最近一段時間高能物理領域最重要的實驗成果之一”。法國科學院院士M.Davier，國際τ物理方面的專家，知道我們的物理結果后非常高興，特地寫信給我，高度評價了我們的實驗成果，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。在國內，該研究項目獲得了1992年中科院自然科學一等獎，1995年國家自然科學二等獎和1993年中國物理學會吳有訓物理獎。被評為1992年中國十大科技新聞之一和十大科技成果之一。
作為BES一員的我，負責并參與了該實驗研究的整個過程，至今歷歷在目，為成功的實驗而自豪，更要為BEPC/BES的成功實驗點贊。
1.正確的選題，及時地抓住機遇
BES是一個綜合性實驗裝置，可以進行研究的課題很多，但必須選取意義重大，科學界共同關心并影響廣泛而深遠的領域或課題。
1991年6月，我到法國Orsay參加由Orsay研究所所長M.Davier組織的“第4屆國際重味物理研討會”，在會上做了關于BEPC/BES的物理研究的報告，題目為“BESresultsonJ/ψdecayintoγK+K–和ωπ+π–”。在向國外高能物理界介紹BEPC/BES的同時，我在會上了解到國際高能物理界對精確測量τ輕子質量的迫切要求，認識到測量τ輕子質量的重要意義，也深深感受到高能物理界對我們BEPC/BES的希望?；貒笪揖腿硇牡赝度氲?/span>τ輕子質量測量的工作中。在那個時期，國際上對τ輕子的壽命和衰變分支比做了大量的實驗測量，特別是西歐核子中心（CERN）的幾個重要實驗組的出色工作，獲得到了一批有關τ輕子壽命和衰變分支比新的結果。然而，依據當時人們認可的τ輕子質量測量數據，這三者之間的關系有很大的矛盾。如果不是τ輕子的質量不對，就一定是“τ輕子弱作用普適性原理”有問題，一時間粒子物理標準模型理論的“普適性原理”出現嚴重危機！為應對這一重大原理的危機，人們對以前的τ輕子質量的測量提出質疑。當時，正在運行的BEPC和BES是唯一有可能對τ輕子質量進行絕對測量的裝置。國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，當正在高能所訪問的M.Davier知道我們計劃并準備進行τ輕子質量的測量時，在負責BEPC運行的負責人于鴻璇陪同下特地找到我，一方面表達了他對τ輕子質量測量的關心，另一方面，仔細地向我了解測量方案和可能達到的測量精度，并十分滿意我們的準備工作。當然也提出了他對實驗的一些考慮并預祝我們實驗能取得成功。
經BES合作組內及高能所內各種類型研討會的深入討論，深刻分析了測量的困難，解決的方案，特別是提高測量精度的可能性和可行性等。果斷決定暫時中斷部分原計劃的課題研究，從1991年下半年開始，將BEPC轉向τ輕子質量能區(qū)，將BES力量集中到τ輕子質量的測量上。歷史證明，當時的決定非常正確，非常及時。抓住了歷史的機遇，抓住了BES在高能物理領域可能占有一席之地的機遇。
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，必須人為地在正負電子對撞中產生，同時又要通過探測它的衰變產物來“抓住”它，最后還要設法精確地測量它的質量，
顯然不是一件容易的事。從幾個方面可以看到其困難程度：
（1）τ輕子的壽命極短（10–13秒）不可能在自然界獲得，但可以在正負電子對撞機上產生。BEPC的能量正好可以產生τ輕子。但產生后又立即衰變，是“稍縱即逝”的粒子。另外，測量需要在剛剛能夠產生正反τ輕子對的對撞能量下進行，也就是專業(yè)上的“閾”附近。然而這是產生τ輕子幾率最少的地方，在幾個月的時間里，盡管BEPC晝夜不停運行，即讓正負電子不停地對撞，也只可能有幾個τ輕子能夠產生并探測到它。僅有幾個τ輕子粒子就能準確測量其質量嗎？
（2）τ輕子的質量最終是由BEPC束流的能量來決定的?？墒?/span>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3到4MeV，然而質量測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對撞機能滿足實驗的要求嗎？采取哪些手段或措施才能減少束流”能散”帶來的測量誤差？
（3）雖然實驗要在產生正反τ輕子對‘閾’的能量下進行，但我們并不知道這個‘閾’在哪里。如何在有限的實驗運行期間能盡快地找到這個‘閾’，并在這一能量下高效地探測到τ輕子是這一課題的關鍵。我們能做的嗎？要知道，太長的實驗運行也會因為BEPC或BES的穩(wěn)定性而帶來額外的測量誤差。
（4）獲得τ輕子質量，必須要知道對τ輕子的探測效率，當然，BES探測τ輕子衰變粒子的效率不可能是100%，而要想知道探測效率也不是一件很容易的事情。特別是在閾值附近，不可能利用探測到的幾個事例獲得精確的效率。如何精確地知道τ輕子的探測效率？也是很大的挑戰(zhàn)。
由于以上的困難，一些人對做這樣的實驗測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。還有一些人擔心，如果測量精度達不到十年前的實驗結果，如何面對國家，如何面對國際？勸我們不要冒這個風險。更有甚者，在實驗測量開始的那天早上，我在BES值班室還接到規(guī)勸我的電話。希望不要冒這個險，繼續(xù)將BEPC運行在J/ψ穩(wěn)穩(wěn)當當做沒有風險的J/ψ物理分析等。實際上，我們已經分析了所有這些問題和困難，并仔細地做了模擬計算。我指導的學生李玉山做了詳盡的實驗方案論證，考慮到幾乎所有的可能，預先給出不同積分亮度下、不同方案下可獲得的質量精度，并發(fā)表了研究論文。我們的創(chuàng)新性實驗方案，不僅是成功地進行實驗的基礎，也增強了我們的必勝信心。
應該指出，盡管做了大量的分析研究，提出了各種解決方案，但科學實驗任然有失敗的可能，有達不到的預期結果的風險。這時需要的就是決心了，有敢于負責，敢于承擔風險，才能最后有勇氣迎接挑戰(zhàn)。
3.只有創(chuàng)新性的實驗和成果才能走向世界
在τ輕子質量測量中，我們深深地體會到，有了抓住機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)現原來實驗的偏差，才能將精度大幅度提高，才能獲得世界一流的成果。
我們將數據分析中的最大似然法應用到實驗中，物理專業(yè)中稱之為“數據驅動”（DataDriven）。這一方法的應用確保了我們沿正確的方向去尋找產生τ輕子的‘閾’，而且加快了逼近這個‘閾’的速度。
當然，好的實驗方案，如果不結合具體情況，不考慮對撞機和探測器的實際，也不可能達到預期結果。我們做了大量模擬研究，將BEPC和BES的各種參數與創(chuàng)新的方案相結合，最后得到正確的實驗方案。
雖然將數據分析中常用的“最大似然法”應用到實驗運行方案中，但也不完全依賴它。在實驗中仍然充分發(fā)揮人的聰明才智，積極地對實驗進行及時指導或者“干預”，從而大大減少了測量的統(tǒng)計誤差，克服了“數據驅動”的不足。
圖1 李政道先生手中拿的“τ輕子質量測量”的兩維擬合圖
在創(chuàng)新的方案之外，物理和數據分析中還采用了許多過去實驗所沒有考慮的措施。例如，在理論計算中考慮到‘閾’附近正負τ輕子對之間的庫倫效應；在實驗中不僅注意到束流能量的彌散，而且考慮該彌散與束流強度，束流能量的關系；在數據處理中采用特殊的數據處理流程以保證“DataDriven”方案能順利地實施；為了克服BES探測器在實驗測量中的不足，不能有效精確地測定積分亮度和探測效率，又采用了雙參數的擬合方法，取得了非常好的效果等等。圖1中李政道先生拿τ輕子質量的圖就是為避免在效率和亮度測量不足而采用兩維擬合曲線的立體圖。
30多年過去了，現在回想起來好像實驗就發(fā)生在昨天。在這創(chuàng)新的新時代，基礎大科學的研究中更要有新的擔當，新的作為，敢于承擔，勇于創(chuàng)新，創(chuàng)新是科學研究的基礎，只有創(chuàng)新性的實驗研究才能獲得一流的科學成果。
（本文在“紀念北京正負電子對撞機建成30周年有獎征文活動”中榮獲二等獎。）
