中国第一台大科学装置30岁了 北京正负电子对撞机背后的坎坷与荣光

第三代北京谱仪（BESIII）中科院高能所供图

1988年10月24日，北京市玉泉路中国科学院高能物理所（以下简称中科院高能所）的大院突然热闹起来。这一天，中国第一台高能加速器、第一台大科学装置——北京正负电子对撞机（BEPC）宣布建造成功！

到今天，BEPC走过了30个年头。“这是中国在国际高能物理领域占一席之地并取得一系列重大成果的三十年，衷心祝愿祖国科学家利用对撞机做出更多世界一流的成果，在粲物理和τ轻子研究方面继续保持国际领先地位，为人类探索物质结构的奥秘作出更大贡献。”华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者李政道在祝贺BEPC建成30周年的信中写道。

诞生前的“七上七下”

在中科院高能所原所长方守贤的记忆里，BEPC是在“七上七下”的挫折中诞生的。

在苏联专家的指导下，中国在1958年就已设计出20亿电子伏电子同步加速器。但在“大跃进”形势下，这一设计因“保守落后”被否。

此后，原先的方案被修改为建造150亿电子伏质子同步加速器，却又受到苏联专家“冷遇”，他们认为中国只能在苏联原有的70亿电子伏加速器技术上加以修补。这种说法遭到了中国设计人员的抵制。

1960年5月，中国科学家完成了螺旋线回旋加速器的初步设计，可当时国内遭遇经济困难，方案在3年后被取消。

1965年，中国科学家第4次提出建造质子同步加速器，却被“文革”风浪摧折。

1969年，中国科学家提出建造强流直线加速器用于探索、研究、生产核燃料的计划，可该计划在与另外两个方案的争论中无疾而终。

1972年，在18位中国科学家联名上书中央后，国务院批准了“七五三”工程，计划10年内建造一台400亿电子伏质子同步加速器。但由于“四人帮”的破坏，计划再度搁浅。

1977年，“八七工程”诞生，计划投资7亿元在1987年建成4000亿电子伏质子同步加速器。可1980年底，国民经济调整使方案又一次下马。

1981年，世界加速器发展了近半个世纪。5月，中科院高能所在国内外专家学者的建议的基础上，提出了第八个方案——建造加速能量为22亿电子伏的正负电子对撞机。

当年12月，邓小平批示：“我赞成加以批准，不再犹豫。”

1984年10月7日，在一片锣鼓声中，邓小平手持铁锹，为BEPC工程奠基铲下第一锹土，他发出号召：“我们的加速器，必须保证如期甚至提前完成。”

　对撞机的建造和升级

中国要用4年多时间建成BEPC的消息传遍全球，连加速器都没做过的中国，竟要“一步登顶”造出对撞机。每一丝的质疑和压力都推动工程研制人员更加拼命，终于在1988年10月16日实现了正负电子束的首次对撞。

1988年10月24日，邓小平在BEPC建成典礼上说：“过去也好，今天也好，未来也好，中国必须发展自己的高科技，在世界高科技领域占有一席之地。”

1992年，用于探测并记录正负电子对撞全过程的北京谱仪，精确测量出粒子物理标准模型中的τ轻子质量，修正了以前的实验结果，至今仍是世界上最为精确的测量之一。

BEPC还实现了“一机两用”，在对撞正负电子、研究粒子物理基础问题的同时，还建立起向社会开放的大型公共科研设施——北京同步辐射装置，为国家社会发展中的重大需求项目提供技术支撑。

凭借BEPC的平台，我国高能物理走上了世界舞台。但由于BEPC是一台单个储存环对撞机，储存环里只有一对正负电子束进行对撞，装置的对撞亮度难以提高。

为保持我国在国际高能物理领域的一席之地，中科院高能所原所长陈和生等开始酝酿BEPC的升级计划，并决定采用双存储环对撞方案，建造与升级新北京谱仪BESIII。

“在国家的大力支持下，我们制定了中国高能物理发展战略，全所同事齐心协力，实现了从BEPC到BEPCII的发展。”陈和生说。

2004年初，BEPCII开工建设，2009年7月通过国家验收。“这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。”李政道如是评价。

当时BEPCII的竞争对手、美国康奈尔大学CESR-c项目的负责人赖斯也表示：“我们期待来自BESIII的一系列重要的物理发现。”

　大科学装置的“聚宝盆”

正如李政道和赖斯期待的那样，BEPCII和BESIII带来了让世界瞩目的成果。

2013年3月，BESIII合作组宣布发现新的共振结构Zc（3900），这极有可能是科学家长期寻找的“四夸克物质”。成果一经发布立即引发世界实验和理论物理研究热潮，入选美国《物理》杂志公布的2013年物理学领域十一项重要成果，并位列榜首。

“BEPC能够占有一席之地，十分不易。回忆过去值得我们怀念和自豪。在BEPC的基础上不断创新，我们应当把高能物理、同步辐射和加速器推向新的高峰。”方守贤说。

中科院高能所所长、中科院院士王贻芳感慨：“中科院高能所的发展与BEPC密不可分，今天看来，建造BEPC是当时作的最好选择，它让高能所获得了长达30多年的发展空间，助力高能所在国际高能物理领域占领一席之地，培养了一支具有国际水平的队伍，也推动了国内其他大科学装置的建设。”

站在BEPC肩膀上迈向世界的高能所，如今正瞄准新的世界物理前沿热点——希格斯粒子研究，并规划建设中国的新一代对撞机——环形正负电子对撞机（CEPC）。

“基本方案是在2022年到2028年建成电子对撞机CEPC，使它成为一个周长100公里的希格斯工厂，加速能量达到2400亿电子伏；2035年至2042年，同一隧道可以考虑二期升级，将CEPC升级为质子对撞机（SppC），能量达到100万亿电子伏。”王贻芳说。

他介绍，目前CEPC概念设计已经完成，并获国际评审认可，经费基本到位，已经全面展开预研工作，而且项目成立了产业促进会，推动产业界合作共赢，有望打破超导高频腔、速调管等关键技术的国际封锁。

长期积累的大科学装置研制、运营经验，也让高能所成了大科学装置的“聚宝盆”。这些年，中科院高能所建成大亚湾反应堆中微子实验项目、中国散裂中子源等平台，已经开始或即将建设江门中微子实验、高海拔宇宙线观测站、阿里原初引力波实验观测站、高能同步辐射光源等大科学装置。

“未来，我们的目标是成为国际一流的高能物理研究中心，成为大型综合性多学科研究基地。”王贻芳说。