圖1 BEPC 鳥瞰

　　北京正負(fù)電子對撞機(jī)（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(jī)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(yùn)行，性能在國際上τ–粲能區(qū)的對撞機(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(jī)，在它的儲存環(huán)里只有一對正負(fù)電子束團(tuán)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(tuán)，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(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(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(jī)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(kuò)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(jī)，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(yùn)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(yùn)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(jī)兩用，其高流強(qiáng)的優(yōu)勢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)計方案到實際對撞機(jī)

　　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)。

• BEPC隧道是按單個儲存環(huán)的方案設(shè)計的，對于安裝雙環(huán)空間偏小，對加速器布局、隧道設(shè)備安裝和對撞區(qū)設(shè)計與建造帶來挑戰(zhàn)。
• 儲存環(huán)的高流強(qiáng)要求高性能的注入器，要設(shè)計正電子流強(qiáng)約為BEPC的10倍以上。
• BEPCII采用雙環(huán)多束團(tuán)對撞，設(shè)計流強(qiáng)接近1安培，比BEPC提高約一個數(shù)量級，對于各個系統(tǒng)提出了苛刻的要求。
• BEPCII的高性能要求采用超導(dǎo)高頻和超導(dǎo)磁鐵以及低溫等先進(jìn)技術(shù)，在這方面我們?nèi)鄙偌夹g(shù)儲備。
• BEPCII的高亮度，要求新建的北京譜儀BESⅢ須滿足多束團(tuán)對撞和高計數(shù)率取數(shù)的要求，并大幅度減小探測器的系統(tǒng)誤差。
• 為了滿足日益增長的同步輻射用戶的需求，BEPCII繼續(xù)采用“一機(jī)兩用”的設(shè)計原則，這給對撞機(jī)的設(shè)計和運(yùn)行帶來更大的難度。

　　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(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(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(qiáng)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(yùn)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(tuán)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行以來，發(fā)揮高亮度對撞機(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)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(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E_cm=3–5GeV）世界上亮度最高的正負(fù)電子對撞機(jī)。

圖9 世界上工作在不同能區(qū)正負(fù)電子對撞機(jī)的亮度

　　BEPCII/BESⅢ將在今后8–10年間取得更多物理成果，實現(xiàn)并擴(kuò)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(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)、χ_cJ、η_c(2S)、h_c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(jī)遇。在未來的5–10年里，高能所將基于BEPCII/BESⅢ，繼續(xù)加強(qiáng)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。