北京同步辐射实验大厅

安装完成的直线加速器

对撞机正负电子输运线分岔处

改造后的北京正负电子对撞机的双储存环 

　　2014年11月，中国科学院高能物理研究所（以下简称高能所）北京正负电子对撞机的调束和运行人员在新一轮的机器研究中，不断创造了对撞亮度的新高，超越原先的8.0×1032cm-2s-1，达到了8.04×1032cm-2s-1。

　　北京正负电子对撞机是我国第一个大科学装置，如今也是国际粒子物理研究的一个重要组成部分。

　　中国科学院院士、北京正负电子对撞机国家实验室主任陈和生告诉《中国科学报》记者：“北京正负电子对撞机自建成以来，对社会高度开放，为多学科的研究提供服务，收获了丰硕的科研成果。”

　　从建成到改造

　　一个发展迅速的研究机构（基地），往往拥有众多科学研究平台，而围绕一个大型科研装置，会自然而然成为一个小型科学研究中心。

　　高能所就是一个以大科学实验装置为依托的研究所，建有北京正负电子对撞机、北京谱仪、北京同步辐射装置、西藏羊八井国际宇宙线观测站以及大亚湾中微子实验等大型装置。

　　1988年10月，北京正负电子对撞机（BEPC）成功实现对撞，这是我国继原子弹、氢弹爆炸成功和人造卫星上天后，在高科技领域又一项重大突破性成就。高能所原副所长张闯回忆道：“这项工程耗时4年，创造了国际同类工程中建设速度快、投资省、质量好、水平高的奇迹，在国际高能物理领域占据了一席之地。”

　　上世纪90年代以来，通过在对撞机上开展的高水平研究工作，我国培养了大批科研人才，提高了我国在相关领域的工业技术水平，并为今后的大科学工程的建设打下了坚实的基础。

　　2000年7月，国家科教领导小组批准对BEPC进行重大改造的BEPCII方案。“最初，我们的计划是采用单环方案，使用麻花轨道实现多束团对撞，可使亮度提高一个数量级左右。”陈和生指出，“这样的设想还没实施，就迎来美国康奈尔大学的竞争。”

　　2001年，陈和生等人访问康奈尔大学期间获知，康奈尔大学看到我国对撞机取得了大量成果，也计划把束流的能量降低到当年BEPC的能区工作（称为CESR-c），“他们的主要设计指标对撞亮度超过了BEPC性能，与当时我们的改进项目的指标相同”。

　　面对国际知名实验室和曾经创造亮度世界纪录对撞机的挑战，我国科学家提出了新的改造方案，采用最先进的双环交叉对撞技术改造对撞机，设计对撞亮度比原来的对撞机高30～100倍，性能远高于康奈尔大学的对撞机。

　　该方案在当年得到了科学界的支持和国家的批准，于2004年初开工建设，称为北京正负电子对撞机重大改造工程，即BEPCII。张闯指出：“与BEPC相比，BEPCII的指标更高、难度更大。随着改造的进行，我国科技能力和工业水平也有了长足的进步。”

　　坚持“一机两用”

　　高能所粒子加速物理与技术院实验室学术委员陈黎明指出，在BEPC建造设计时，提出了两种运行模式设计：一是兼用模式，于高能物理对撞实验，以开展τ、粲物理研究；二是专用模式，专门用于同步辐射光，开展多学科的应用研究。通过以上两种模式，实现我国高能加速器的“一机两用”。

　　陈黎明说：“从最初设计来说，这个‘一机两用’的任务，主要是通过储存环实现的。”

　　而BEPCII采用“内外桥”连接两个正负电子外半环，形成同步辐射环和大交叉角正负电子双环的“三环方案”，坚持了“一机两用”，即包括北京谱仪（BESIII）和北京同步辐射装置（BSRF）两部分。

　　其中，BESIII是以我为主的大型国际合作组，成员包括来自11个国家和地区、50多个研究机构的约300名科学家。BESIII合作组利用在BEPCII取得的数据开展高能物理研究，在轻强子谱、粲偶素的衰变等方面取得重要进展，完成和发表了一大批重要的物理成果。

　　BSRF作为我国众多学科的大型公共实验平台，每年向来自全国数百个研究所和高等院校用户开放，取得了包括许多重要蛋白质结构测定在内的许多重要结果，有60多个蛋白质结构为国际蛋白质数据库收录。

　　因此，改造后的BEPCII既要在物质结构最前沿的研究中，发现国际领先的物理成果，又要发挥同步辐射装置作为多学科交叉前沿研究平台的作用，在诸多学科领域争取创新成果。

　　引入先进技术

　　陈和生表示，目前大科学装置的国际发展趋势首先是作为大型基础科学研究和应用基础研究的基地，并以此为依托，发展成为高技术研发和转化的基地，除了高能物理，还有很多延伸领域的发展，不仅面向基础和应用研究，还面向高技术的开发和产业化，成为国家科技创新体系的重要单元。

　　BEPC自建成以来，就在推动其自身建设、运行和科学研究中引进和发展了很多高技术。比如，早在1988年，高能所的计算机成为中国第一个进入互联网的接点。陈和生说：“正是因为有了BEPC，很多先进的技术才能在当年第一时间得以引进。”

　　如今，BEPCII的建设和运行不仅推动了国内相关领域高技术的发展，还与国际先进技术相结合，实现了高水平的集成创新，自主研制的设备超过85%，形成了一系列高新技术储备。

　　在BEPCII建设中发展了若干系统及设备，如高产额正电子源、逐束团反馈系统、氦基小单元高性能漂移室、无隔板支撑结构的晶体量能器和射频超导系统等，均达到了国际先进水平，也为后续的大科学装置如大亚湾反应堆中微子实验、中国散裂中子源、加速器驱动次临界系统等奠定了技术和人才基础。

　　来自BEPCII的部分工程科技成果已经实现产业化，产生了良好的社会效益和经济效益，为相关领域的可持续发展创造了有利条件。

　　陈和生指出，随着BEPCII在粒子物理和多学科交叉领域的研究不断深入，还会将更多先进的新技术引入国内，推动国内相关领域高新技术产业发展。

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　　漫谈对撞机

　　北京正负电子对撞机既可以通过正负电子对撞机来研究“基本”粒子，又能够利用电子在偏转时发出的同步辐射光，研究物质的分子和原子。那么，研究像分子、原子和原子核、夸克和轻子那样微小的粒子，为什么要用这么庞大的加速器呢？

　　看清微小物质要用显微镜，对撞机就好比研究物质微观结构的“超级显微镜”，它的分辨尺度与作为“探针”的粒子束流的能量成反比。“探针”的束流能量越高，研究的分辨率也就越高。

　　譬如，细胞的尺度是10-3～10-5厘米，只需要能量0.1～10电子伏的“探针”，也就是可见光就足够。因此，我们用光学显微镜就能观看细胞的结构。

　　分子和原子比细胞小得多，大约只有10-7～10-8厘米，相应需要能量1～10千电子伏的“探针”，这就要用电子显微镜、X光机和同步辐射这样的装置来观测。

　　原子核的尺度就更小了，大约只有10-12厘米，需要粒子能量为1亿电子伏以上的加速器，来研究原子核的结构和产生新核素、新元素等。

　　为了研究尺度为10-13厘米的质子和中子的结构，束流的能量就必须高于10亿电子伏。现在加速器已经能把电子加速到1千亿电子伏，把质子加速到1万亿电子伏的超高能量，并进行对撞，相应的实验分辨率达到10-16厘米，可以对夸克和轻子进行深入的研究。

　　因此，要使每个粒子获得对应的高能量，就需要十分庞大的加速器。

　　超高能加速器为什么要用两束相向运动的粒子对撞呢？高能物理需要寻找新粒子，研究新反应，因为关心的是质心系能量或者有效作用能，如果用高能束流打静止靶，粒子的大部分能量都变成质心系的动能，有效作用能很小。有人算过，即使把加速器做到跟地球赤道那样大，采用10万高斯的超导磁铁，把质子加速到越2亿亿电子伏来打静止靶，有效作用能也只有6万亿电子伏；而在对撞机里，只要用两束能量各为3万亿电子伏的质子对撞，就能达到同样有效作用能。

　　实际上，欧洲核子研究中心建造的周长27公里的大型强子对撞机LHC，两束质子的能量为7万亿电子伏，有效作用能高达14万亿电子伏，远远超过上面提到的“地球加速器”。（雨田整理）

　　（原载于《中国科学报》 2015-01-05 第8版 平台)