中國首台高能加速器的華麗變身

團隊成員慶祝BEPCII對撞亮度達到設計指標

還記得中學課本里描寫的「北京正負電子對撞機」嗎？這個英文名為BEPC的裝置，是第一台高能同步加速器，也是共和國首台大科學裝置，它的醞釀與誕生曾讓幾乎每位人銘記於心。

最近，這個讓國人驕傲並被寫進歷史的大科學裝置，再度笑傲江湖。不過這一次亮相的是它的「升級版」。

2009年，歷時5年、耗資6.4億元，BEPC實現華麗變身，經過重大改造工程升級為BEPCII。BEPCII建成並開始為用戶供束時，整體性能已經提高至原先BEPC的30多倍，是這個能量區域里美國康奈爾大學的加速器CESRc曾創下的世界紀錄的4倍多。2016年4月，在BEPCII的設計能量下，峰值對撞亮度達到設計指標，為原BEPC的100倍，再創此能區對撞亮度的世界紀錄。

今年1月，這項重大改造工程獲得了2016年度國家科技進步一等獎。高能物理領域引領國際科技前沿的利器實至名歸。

國際競爭：沒有硝煙的戰場

1989年，BEPC剛開始運行不久。那時，現任高能物理所副所長的秦慶還是一名研究所。在BEPC項目經理、科學院院士方守賢的建議下，秦慶參加了BEPC的運行與改進、提高工作。沒想到，此後的28年裡，秦慶的高能物理生涯與這個大科學裝置難解難分。

「我的工作主線就是BEPC，以及此後重大改造項目的設計、建造、調束和運行。」秦慶告訴《科學報》記者。

當時，為了幫助年輕科學家深度參與對撞機國際前沿，高能物理所將年輕科學工作者派到各個國家的頂級對撞機實驗室進行交流學習。秦慶被派去歐洲核子研究中心參加大型強子對撞機的設計研究工作。後來又被派往美國康奈爾大學威爾遜實驗室，那裡有美國著名的正負電子對撞機CESR。

BEPC和降低能量至粲能區運行的CESR，即CESRc一度成為了競爭對手。1988年，BEPC建成后在粲能區一直是性能在國際上領先的對撞機，取得了諸如陶輕子質量精確測量、R值測量和新粒子X（1835）的發現等舉世矚目的物理成果。為了在粲能區爭奪物理成果，CESR從2000年起就著手轉入粲能區的研究，提出了CESRc/CLEOc的計劃，把束流能量從原來的5.6GeV降低到1.55—2.5GeV運行，它的降低能量運行，將全面超越BEPC及最初提出的BEPC升級改造目標。

從2004年開始，BEPC的領先優勢已讓位於美國康奈爾大學的正負電子對撞機CESRc。

其實，早在1998年，BEPC就提出了改造方案。但CESR改造成CESRc后，其設計對撞亮度比最初BEPC提出的改造方案的亮度還要高。「在此情況下，我們就算是建成了也沒有意義。於是我們修改了方案，將原先的單環對撞方案改成雙環方案，並追加一定的投資。」秦慶說。

極限挑戰：設備性能發揮極致

方案的改變，意味著難度的增加。「BEPC改造的難度，比當初建造時的難度要大得多。」BEPC重大改造工程的第一完成人、項目經理、科學院院士陳和生不禁感慨。

難度究竟有多大，每位參與者都有切身體會。

中科院高能所研究員，現任加速器物理組組長及對撞機亮度調試負責人於程輝就是其中之一。他參加了BEPCII前期的物理方案設計，中期的設備安裝和調試，以及後期整個機器的集成和性能優化。

「當時的壓力是我們不僅是要升級自己，而且還要勝出對方。」於程輝心裡明白，在同一個能區的高能物理領域，兩個同樣的正負電子對撞機是無法共存的，只能是一個最好的生存下來。

在於程輝的印象中，2012年左右，BEPCII的調束和運行遭遇過一個「大坎」。「當時，我們反覆對束束作用參數調試了兩年多，卻一直沒能實現理論預期，那個時候真是挺擔心的。」於程輝說。

此後他們對物理方案進行重新的改進優化，而新方案有效地讓加速器實現了預期的物理目標。「到2013年時我們心裡就有底了。從那時起直到2016年，我們一直在挑戰硬體極限，努力把每一個設備都調整到最佳狀態。」於程輝說。

最終，BEPCII突破了雙環對撞機設計與建造的難關，攻克系列核心關鍵技術，使BEPCII總體性能在粲能區國際領先，對撞亮度達到競爭對手CESRc所達到的亮度的10倍以上。

「科學無國界，但科學成果有國界。如今，在與美國康奈爾大學的高能物理競爭中，無論是對撞機性能指標，還是對撞機取得的物理成果，我們都勝出了。」於程輝感嘆。

不僅如此，北京譜儀BESIII的總體性能也達到了國際最好水平。BEPCII不僅實現了高效運行，還實現了全能量注入和高能物理實驗同時進行的同步輻射兼用模式運行。

往事回首：心情像坐「過山車」

過去的那些年裡，於程輝時刻惦記著BEPCII的運行狀態，特別是在調束初期腦子裡一直轉著的都是對撞機的事情。每當調束遇到障礙時，都細細地把每個設計環節捋一遍，生怕有一點疏漏。

「無論哪個環節有紕漏，造成的影響都是嚴重的。萬一真的出了致命問題，影響的是整個裝置的性能。」於程輝說。

直到最終BEPCII達到設計指標，於程輝才徹底鬆了一口氣：「在那之前，真不是怕對不起自己，怕對不起國家，對不起身邊的同事，我們自己設計了對撞機，就得說到做到啊！」

這樣的想法和壓力，並不只是於程輝才有。參與項目的科研人員，情緒像做「過山車」一般，每天的喜怒哀樂都被BEPCII項目進展牽絆著。

「看見第一團束流注入進儲存環的時候，對撞亮度一次次提高的時候，獲得重大的高能物理成果的時候，我們都非常非常開心，就跟我們自己的孩子取得好成績一樣。但是如果遇到問題，比方說丟束流、撞不好，或者說出了故障而用戶在等，物理要求的進度在催的時候，我們又都非常非常沮喪。」秦慶說。

令所有項目組成員都欣慰的是，自2008年BEPCII開始運行以來，其高亮度對撞機和高性能探測器的優勢得到了充分發揮，日均獲取的數據量較改造前提高了兩個數量級。由11個國家的50多所大學和研究機構的400餘名科學家組成的BESIII國際合作組也是「以我為主」的重大國際合作組，在輕強子譜的研究、粲偶素的衰變等方面取得多項重大和重要物理成果，獲得了如「首次發現帶電類粲偶素Zc（3900）」等一批重要物理成果。

不過，有趣的是，在得知項目獲得國家科技進步一等獎時，於程輝反倒淡薄起來：「國家科技獎勵是對我們的認可和鼓勵。但每一次的項目進展和成果給我們帶來的心理上的喜悅，其實遠大於國家獎勵帶來的喜悅。」

「我們還在進行一些小的改造，希望能在積累大量數據的同時，再多一些新的技術突破，為今後建造新的對撞機或者同步輻射光源，積累經驗。」於程輝笑著說。