永不停步的創(chuàng)新旅程

鄧小平同志曾說：“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。”這其中，大科學(xué)裝置的存在和應(yīng)用水平，正是一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的具象。它如同一塊巨大的磁鐵，能夠集聚智慧，構(gòu)成一個多學(xué)科陣地。而作為典型的大科學(xué)裝置，北京正負(fù)電子對撞機(jī)的研制及重大改造工程的成功無疑為這塊磁鐵更添磁力。

1988年10月16日凌晨5點(diǎn)56分，我國第一座高能加速器——北京正負(fù)電子對撞機(jī)(BEPC)首次對撞成功。這是我國繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后，在高科技領(lǐng)域又一重大突破性成就。

2003年，在穩(wěn)定、高效地運(yùn)行了15年后，北京正負(fù)電子對撞機(jī)圓滿地完成了預(yù)定的科學(xué)使命。為了適應(yīng)世界高能物理的發(fā)展，繼續(xù)保持北京正負(fù)電子對撞機(jī)在科學(xué)上的競爭力，經(jīng)國家有關(guān)部門批準(zhǔn)，中國科學(xué)院高能物理研究所決定對對撞機(jī)加速器和探測器進(jìn)行重大改造(BEPC II工程)。

2004年5月1日北京正負(fù)電子對撞機(jī)進(jìn)行重大改造工程啟動。

何謂正負(fù)電子對撞機(jī)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識逐步深入到細(xì)胞、分子、原子和原子核等深層次。要想研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，首先要把它打碎。粒子加速器就是用高速粒子去“打碎”被測物質(zhì)的科學(xué)設(shè)施，而正負(fù)電子對撞機(jī)是一種先進(jìn)的粒子加速器。

科學(xué)家們認(rèn)為，構(gòu)成物質(zhì)世界的最基本單元是比質(zhì)子還小的夸克和輕子。北京正負(fù)電子對撞機(jī)的主要研究對象就是夸克、輕子家族中的兩個成員——c夸克和τ輕子，記錄它們對撞時產(chǎn)生的物理量，搜索碰撞產(chǎn)生的新粒子。正負(fù)電子對撞機(jī)的任務(wù)是給這些粒子加速，為它們提供碰撞場所，記錄碰撞數(shù)據(jù)。

十年磨一劍

1988年10月16日，北京正負(fù)電子對撞機(jī)建造成功并首次實(shí)現(xiàn)正負(fù)電子對撞。從此，中國進(jìn)入了能進(jìn)行高能物理實(shí)驗(yàn)研究的科技先進(jìn)國家之林。然而，這一切來之不易。

BEPC的第一任工程經(jīng)理謝家麟說，從建國初期開始，建造自己的加速器基地、發(fā)展高能物理就成為中國高能物理學(xué)家的迫切愿望。

1972年，物理學(xué)家張文裕率領(lǐng)謝家麟等17位科學(xué)家寫信給周恩來總理，建議中國建造一臺高能加速器，開展高能物理實(shí)驗(yàn)研究，得到周總理的批準(zhǔn)，至此，高能加速器建設(shè)正式啟動。1973年，高能物理研究所成立。

1975年3月，周恩來總理、鄧小平同志在《關(guān)于高能加速器預(yù)制研究和建造問題的報(bào)告》上作了批示，高能所開始了高能加速器的預(yù)制研究。1977年11月，在鄧小平的推動下，中央批準(zhǔn)了代號為“八七工程”的項(xiàng)目，即用10年的時間在北京建造一臺500億電子伏質(zhì)子同步加速器。

1979年，鄧小平訪美時，中美雙方簽署了中美兩國在高能物理領(lǐng)域的合作協(xié)議。這是中美兩國科技合作的第一個執(zhí)行協(xié)議，從此打開了中美兩國科技合作的大門。

1980年底，國民經(jīng)濟(jì)調(diào)整，基建收縮，中央決定“八七工程”下馬，但高能不能斷線。1981年3月，物理學(xué)家朱洪元、謝家麟和當(dāng)時在美的訪問學(xué)者葉銘漢，在美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室與美國參加合作的幾個實(shí)驗(yàn)室的專家舉行了非正式、通報(bào)中國高能調(diào)整方案的討論會。美國斯坦福直線加速器中心所長潘諾夫斯基提出了中國應(yīng)陔建造一臺22億電子伏特正負(fù)電子對撞機(jī)的建議。

1981年12月22日，中國科學(xué)院正式向黨中央、國務(wù)院提出了在北京建造2×22億電子伏特正負(fù)電子對撞機(jī)的方案。鄧小平同志當(dāng)日批示：“他們所提方針，比較切實(shí)可行，我贊成加以批準(zhǔn)，不再猶豫。”

1983年4月，國務(wù)院批準(zhǔn)了對撞機(jī)工程計(jì)劃任務(wù)書：同年12月中央決定將對撞機(jī)工程列入國家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。

1984年10月，北京正負(fù)電子對撞機(jī)終于動工興建。鄧小平同志在參加奠基典禮時說：“我相信，這件事小會錯。”

鋒利不尋常

1986年，謝家麟因健康狀況不佳辭去了北京正負(fù)電子對撞機(jī)工程經(jīng)理的職務(wù)，將接力棒傳給了方守賢。

從1990年開始運(yùn)行到2005年改造升級的15年間，北京正負(fù)電子對撞機(jī)累計(jì)穩(wěn)定高效運(yùn)行約8萬小時，其中約40％用于為北京譜儀開展高能物理實(shí)驗(yàn)提供束流，25％用于為同步輻射應(yīng)用提供束流，12％用于加速器機(jī)器研究，總運(yùn)行效率高于90％。

“與此同時，北京正負(fù)電子對撞機(jī)一機(jī)兩用，它的北京同步輻射裝置(BSRF)是目前國內(nèi)唯一的x射線同步輻射光源，提供從硬X－射線到真空紫外寬波段的強(qiáng)輻射光，是我國重要的同步輻射技術(shù)研究基地和開展凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、資源環(huán)境及微電子技術(shù)等多學(xué)科交叉前沿研究的重要基地。”方守賢說。

在重大改造工程進(jìn)行期間，北京同步輻射裝置完成了配合BEPCII工程的改造任務(wù)，已經(jīng)擁有5個插入件、14條光束線和14個實(shí)驗(yàn)站，綜合性能全面大幅提高。自1991年開放運(yùn)行以來，北京同步輻射裝置已形成了一支穩(wěn)定、高水平的用戶隊(duì)伍，每年接待200多個研究課題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取得了許多重要成果。例如，在2003年正式投入使用的我國第一條生物大分子晶體學(xué)光束線與實(shí)驗(yàn)站上，首次獲得了SARS病毒蛋白酶大分子結(jié)構(gòu)、菠菜捕光膜蛋白晶體的結(jié)構(gòu)等。

引得群芳爭艷

有人說，高能物理屬于純基礎(chǔ)研究，是一枝獨(dú)秀。對此，方守賢并不認(rèn)同：“高能物理不是昆侖山上的雪蓮，而是牡丹園里的牡丹，引起群芳爭艷。”高能物理不僅打開了中美兩國科技合作的大門，而且通過北京正負(fù)電子對撞機(jī)的建設(shè)帶動了很多工業(yè)的尖端技術(shù)以及其他學(xué)科的繁榮和昌盛。

通過北京正負(fù)電子對撞機(jī)，最早開通了我國第一條國際計(jì)算機(jī)高速通信線路，使我國與美國、日本及歐洲等國間的高能物理國際合作研究組之間通過國際計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行及時快捷的聯(lián)絡(luò)：在國內(nèi)最先為上千位科學(xué)家提供電子郵件服務(wù)，還為我國信息高速公路工程起到了先驅(qū)作用。

此外，北京正負(fù)電子對撞機(jī)在推動我國相關(guān)工業(yè)與研制技術(shù)的提高和發(fā)展方面也起到了積極的影響和推動作用。

對撞機(jī)涉及高功率微波、高性能磁鐵、高穩(wěn)定電源、高精密機(jī)械、超高真空、束流測量、自動控制等高技術(shù)，其設(shè)計(jì)指標(biāo)幾乎都是當(dāng)時技術(shù)的極限。對撞機(jī)的建設(shè)不僅發(fā)展了高能物理電子學(xué)技術(shù)，推動了我國微波和高頻技術(shù)的發(fā)展，使我國真空技術(shù)提高到了新的水平，使我國高精度電磁鐵和大功率穩(wěn)定度電源制造技術(shù)達(dá)到了國際水平，為同步輻射光學(xué)工程技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，對低能加速器的發(fā)展產(chǎn)生了積極影響，同時也為一些企業(yè)參與大科學(xué)工程建設(shè)提供了發(fā)展契機(jī)。

迎難而上

2004年1月，北京正負(fù)電子對撞機(jī)重大改造工程(BEPCII)動工，計(jì)劃工期5年。BEPCII改造的主要目標(biāo)是提高對撞機(jī)的性能，使相同時間里獲取的物理數(shù)據(jù)增加兩個數(shù)量級。

“在改造過程中我們也面臨很多挑戰(zhàn)。”北京正負(fù)電子對撞機(jī)重大改造工程(BEPCII)副經(jīng)理張闖舉例說，美國康奈爾大學(xué)的正負(fù)電子對撞機(jī)原先在2×56億電子伏特高能量下工作，但看到BEPC取得了大量成果，在2001年他們也提出了將束流的能量降低到BEPC的能區(qū)工作的計(jì)劃。而且他們的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)超過了BEPC的對撞機(jī)性能，與當(dāng)時BEPCII改進(jìn)的目標(biāo)相同。

“為了繼續(xù)保持在國際高能物理研究上的優(yōu)勢，我們只能接受挑-錢，迎難而上。”張闖說。研究人員提出了新的改造方案，設(shè)計(jì)對撞亮度比BEPC高100倍，是康奈爾大學(xué)對撞機(jī)CESRc的3～7倍，從而大大提高了競爭力。

北京正負(fù)電子對撞機(jī)重大改造工程在參考國際先進(jìn)對撞機(jī)的雙環(huán)方案基礎(chǔ)上，根據(jù)“一機(jī)兩用”的設(shè)計(jì)原則，采用了獨(dú)特的三環(huán)結(jié)構(gòu)，滿足了科學(xué)目標(biāo)的要求。張闖介紹，對撞機(jī)的改造與20年前的對撞機(jī)相比，指標(biāo)更高、難度更大，同時我國的科技能力和工業(yè)水平也有了長足的進(jìn)步。

張闖說，高能物理研究沒有止境，現(xiàn)在世界各國部在提各種方案，他們也在研究下一步提高能力的措施和方法，我們也有可能還會根據(jù)新的需要將BEPCII進(jìn)一步升級提高。