中國首個大科學(xué)裝置誕生記

“我相信這件事不會錯！”1984年10月7日，北京西郊，在中國科學(xué)院高能物理研究所（以下簡稱高能所）舉行的北京正負(fù)電子對撞機(jī)奠基儀式上，鄧小平同志如是說。

這天，鄧小平同志在對撞機(jī)的奠基石上培上了第一鍬土。時任高能所所長張文裕拉著他的手，激動地說：“我多年的心愿今天終于實(shí)現(xiàn)了！”

40年后的今天，回想起這場奠基儀式，高能所研究員張闖的眼眶有些濕潤：“那一天，很多人等了一輩子?！?/p>

從20世紀(jì)50年代起，中國科學(xué)家一直苦于我國沒有自己的高能物理加速器，科研工作長期依賴國外數(shù)據(jù)。他們始終有一個夢想——用自己的加速器做世界最前沿的研究。風(fēng)云動蕩中，這個夢想被七次點(diǎn)燃，又七次熄滅。奠基，代表著他們的夢終于成真。

僅用4年時間，中國科學(xué)家就以令國際同行驚訝的速度，建成我國首個大科學(xué)裝置——北京正負(fù)電子對撞機(jī)。而此后的40年，持續(xù)產(chǎn)出的科學(xué)成果、日漸壯大的人才隊(duì)伍、站穩(wěn)腳跟的中國高能物理，都用事實(shí)印證了鄧小平同志的話，這件事沒有錯。

1 七“上”七“下”

1975年3月，乍暖還寒，春日的氣息還不算濃郁。

正在遼寧省北票礦務(wù)局工作的張闖趁著到北京出差開會的空隙，來到中關(guān)村，看望自己的大學(xué)老師、清華大學(xué)教授張禮。張闖曾在清華大學(xué)工程物理系攻讀粒子加速器專業(yè)，畢業(yè)后被分配至煤礦工作，但他與老師一直保持著密切的聯(lián)系。

敲開門，進(jìn)屋坐下，二人還沒寒暄兩句，張禮就興奮地告訴張闖一個消息：“周總理有批示，高能物理要上！”

張禮的聲音不大，卻讓張闖為之一震。它像一枚鑰匙，打開了張闖心中一扇久閉的大門。

事情要從3年前說起。

1972年8月18日，張文裕、朱洪元、謝家麟等18位科學(xué)家給周總理寫了封信。信中，他們訴苦：“高能物理實(shí)驗(yàn)幾乎是一片空白，高能物理理論研究則全是依靠國外的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?！?/p>

高能物理研究是認(rèn)識物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動規(guī)律最前沿的學(xué)科，而高能加速器和相應(yīng)的探測裝置是這項(xiàng)前沿研究的重要工具。

早在新中國成立后不久，1950年10月，中國科學(xué)院的物理學(xué)家們就提出要建設(shè)粒子加速器，開展核物理實(shí)驗(yàn)研究。1953年，世界第一臺高能加速器在美國問世，趙忠堯、張文裕、王淦昌等老一輩中國物理學(xué)家開始努力推動建造中國的高能加速器。然而，政治風(fēng)云的變幻與國民經(jīng)濟(jì)的興衰，讓這一夢想多次“上馬”，又多次“下馬”。

信中，他們呼吁：“盡快確定發(fā)展高能物理的方針政策，同時組織上給以保證，盡快成立高能物理研究所，并劃歸基礎(chǔ)理論研究的主管部門領(lǐng)導(dǎo)。”

1972年9月11日，周恩來總理批示：“這件事不能再延遲了?？茖W(xué)院必須把基礎(chǔ)科學(xué)和理論研究抓起來，同時又要把理論研究與科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來?！?/p>

1973年2月1日，在黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人的關(guān)心下，中國科學(xué)院成立了高能所。在張闖心中，那曾是可望而不可即的“殿堂”。

兩年后，1975年3月，高能所組織科學(xué)家經(jīng)過深入研究，向國務(wù)院上報《關(guān)于高能加速器預(yù)制研究和建造問題的報告》，明確提出要在10年內(nèi)，建造一臺能量為400億電子伏特的質(zhì)子同步加速器。

在醫(yī)院病床上，周總理審閱并批準(zhǔn)了該報告。此后，高能加速器預(yù)制研究工程有了自己的代號——“七五三工程”。

“學(xué)校已把加速器專業(yè)畢業(yè)的同學(xué)推薦給了高能所，你也在名單里?！睆埗Y告訴張闖。為了滿足“七五三工程”需要，高能所開始召集散落在全國各地的相關(guān)專業(yè)人員。

那天，張闖從老師家里走出來時，出差的疲憊一掃而光。此時，路邊的樹杈還有些光禿，但張闖的心里已經(jīng)開出了小花，那是他和老師們盼了許久的夢。

1976年秋天，科學(xué)家滿懷信心，重新論證“七五三工程”方案，提出了更宏偉的“八七工程”計(jì)劃，并得到國家批準(zhǔn)。

“八七工程”分三步走：第一步，耗資3億元，建成300億電子伏特的慢脈沖質(zhì)子環(huán)形加速器；第二步，耗資7億元，到1987年底建成400億電子伏特的質(zhì)子環(huán)形加速器；第三步，到20世紀(jì)末，建成世界一流的高能加速器。

然而，沒過多久，我國國民經(jīng)濟(jì)調(diào)整，緊縮基建，高能質(zhì)子加速器因?qū)儆凇皣曳羌毙琛倍凇跋埋R”之列——這已是該項(xiàng)目的第七次“下馬”。得知消息后，張文裕等老一輩科學(xué)家和張闖等年輕一輩都心急如焚。

1980年5月，張文裕、趙忠堯、朱洪元等39位高能物理學(xué)家聯(lián)名上書，懇求“八七工程”不要“下馬”。鄧小平同志批示：“此事影響太大，不宜‘下馬’?！?/p>

這一批示給中國科學(xué)家們留下了機(jī)會。盡管工程陷入停滯，但希望仍在。

所有人都開始重新思考更符合國情的加速器方案，奔向第八次希望。

2 第八次希望

1981年，受“八七工程”停滯問題影響，中美高能物理聯(lián)合會議未能如期舉行。得知消息后，華裔物理學(xué)家袁家騮、吳健雄夫婦和李政道都心急如焚，他們向國家領(lǐng)導(dǎo)人建議，立即派專家赴美洽談。

1981年3月，中國科學(xué)院派高能所的朱洪元、謝家麟前往美國洽談。他們與李政道、袁家騮、吳健雄以及美國斯坦福直線加速器中心主任潘諾夫斯基等美國高能物理學(xué)家開會，討論中國高能物理的前景。最終，大家一致認(rèn)為在中國建造2×22億電子伏特正負(fù)電子對撞機(jī)是最好的方案。

新的方案，造價只需“八七工程”的三分之一，不僅物理窗口內(nèi)容豐富，還可以在做高能物理研究的同時，做同步輻射應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)兩用”。

然而，當(dāng)朱洪元、謝家麟把這一方案帶回國內(nèi)，一場激烈的爭論開始了。

研制對撞機(jī)，技術(shù)難度和風(fēng)險很大。正負(fù)電子對撞機(jī)要讓兩束極細(xì)、高速運(yùn)行、稀薄的電子束團(tuán)撞到一起，既要“對得準(zhǔn)”，又要“撞得充分”。大家有各種各樣的擔(dān)心：“中國能不能做得了？”“即便研制出來，性能指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)？”“進(jìn)度如果拖下來，物理窗口關(guān)閉了怎么辦？”

有人還打了個比方：“以當(dāng)時中國的薄弱基礎(chǔ)，要想建成正負(fù)電子對撞機(jī)，就好比站在鐵路站臺上，想跳上一列飛馳而來的特快列車。如果跳上了就飛馳向前，如果沒有抓住，就粉身碎骨?！?/p>

1981年9月，中國科學(xué)院數(shù)理學(xué)部主持召開“豐臺會議”，專門討論了3天。與此同時，高能所內(nèi)部也組織了多次研討會。每個人都在為國家高能物理的未來謀一條最切合實(shí)際的出路。

方案一直討論到1981年底。其間，中國科學(xué)院又派當(dāng)時院內(nèi)主管部門負(fù)責(zé)人鄧照明和謝家麟、朱洪元一起再赴美國。在李政道等的堅(jiān)持下，鄧照明與中國科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)通了電話，經(jīng)過近一個小時的協(xié)商，院領(lǐng)導(dǎo)肯定了正負(fù)電子對撞機(jī)的方案。

1981年12月5日，中國科學(xué)院上報了《關(guān)于建造北京正負(fù)電子對撞機(jī)預(yù)制研究的報告》?？催^報告后，鄧小平同志批示：“這項(xiàng)工程已進(jìn)行到這個程度，不宜中斷，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?！?/p>

1983年4月，我國正式批準(zhǔn)北京正負(fù)電子對撞機(jī)項(xiàng)目，計(jì)劃于1988年底建成。

此后擔(dān)任北京正負(fù)電子對撞機(jī)工程領(lǐng)導(dǎo)小組組長的谷羽曾感慨：“這一批示給中國的高能物理事業(yè)注入了生機(jī)和活力，把中國的高能加速器從危機(jī)中解放出來?！?/p>

3 跳上“特快列車”

1984年10月7日上午10點(diǎn)，北京西郊玉泉路的高能所里，彩旗飄揚(yáng)。鄧小平、楊尚昆、萬里、方毅等黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人以及專程從美國趕來的科學(xué)家們聚在這里。大家盼望已久的北京正負(fù)電子對撞機(jī)終于破土動工。

接下來，科學(xué)家們要用4年甚至更短的時間，從站臺“跳”上國際高能物理這列飛馳的“特快列車”。

北京正負(fù)電子對撞機(jī)由注入器、輸運(yùn)線、儲存環(huán)、北京譜儀、同步輻射裝置等部分組成，工程涉及的專用設(shè)備多達(dá)上萬臺，技術(shù)復(fù)雜、精度要求極高，中國此前從未做過。工程一開始就遇到了關(guān)鍵問題：是全面引進(jìn)，還是自主研制？

作為工程領(lǐng)導(dǎo)小組組長，谷羽帶領(lǐng)小組成員認(rèn)真分析了中國的科技和工業(yè)狀況，最終決定，除計(jì)算機(jī)和少數(shù)當(dāng)時中國無力研制的設(shè)備以及用量很少、不值得花人力和物力研制的設(shè)備、元件、材料外，主要依靠自己的力量設(shè)計(jì)和研制。

為了提供一個極端的粒子對撞環(huán)境，北京正負(fù)電子對撞機(jī)各類設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)均向極限逼近，其中涉及的高功率微波、高性能磁鐵、高穩(wěn)定電源、超高真空等技術(shù)，設(shè)計(jì)指標(biāo)幾乎都超出當(dāng)時的技術(shù)能力。

例如，對撞機(jī)要給電子加速，就需要有穩(wěn)定的微波電磁場，而一種名叫“S波段高功率速調(diào)管”的部件就是微波磁場電子系統(tǒng)的“心臟”。當(dāng)時，國內(nèi)技術(shù)水平最高的S波段高功率速調(diào)管，脈沖輸出功率能達(dá)到15至20兆瓦，但這根本無法滿足對撞機(jī)工程的需要。

于是，高能所科研人員和工廠聯(lián)手，吸收消化國外上世紀(jì)80年代初期全部生產(chǎn)工藝，改造原先的生產(chǎn)線，不僅將速調(diào)管的微波功率提升到34兆瓦，還將國產(chǎn)調(diào)制器的功率從50兆瓦提升到100至200兆瓦，工作壽命從1000小時提高到10000小時。

這一突破不僅滿足了對撞機(jī)對微波功率源高功率、高穩(wěn)定度、長壽命的技術(shù)要求，也使合肥同步輻射光源、北京自由電子激光、上海自由電子激光等我國“八五”期間的幾大加速器工程，都逐步用上了國產(chǎn)的微波功率源和特種波導(dǎo)元件。

類似的技術(shù)突破在對撞機(jī)研制過程中還有很多。為了建成對撞機(jī)，我國在真空技術(shù)、電磁鐵、大功率高穩(wěn)定度電源等方面都達(dá)到更高的技術(shù)水平。此外，高能所還于1987年建成我國第一條國際計(jì)算機(jī)通信線路，成為我國建設(shè)“國際信息高速公路”的先驅(qū)。

“近日要開始中美高能會談了，美方專家正在北京，如果此時能實(shí)現(xiàn)正負(fù)電子對撞，那將是一個很適當(dāng)?shù)臅r間?！比~銘漢說。

鄭志鵬立刻找到負(fù)責(zé)亮度檢測器的同事們，商量如何區(qū)分信號和噪聲。經(jīng)過幾個晝夜的連續(xù)調(diào)試，他們慢慢摸清了裝置的“脾氣”。

1988年10月6日凌晨，當(dāng)北京正負(fù)電子對撞機(jī)處于對撞模式時，亮度監(jiān)測器上顯示出正負(fù)電子的散射信號，而且計(jì)數(shù)隨時間不斷增長；將對撞機(jī)從對撞模式調(diào)成單束模式后，信號消失。反復(fù)多次，終于，大家確認(rèn)，“對撞了”。

大廳里，所有人都高興得跳了起來，一夜的疲憊煙消云散。得知消息的葉銘漢天剛亮就來到運(yùn)行室和譜儀大廳，確認(rèn)正負(fù)電子實(shí)現(xiàn)對撞的事實(shí)。

好消息很快傳遍整個高能所，又通過媒體傳遍全國。

1988年10月24日，剛剛過去的一場秋雨使北京舒爽宜人，鄧小平同志再次來到高能所。這一天，北京正負(fù)電子對撞機(jī)宣布建造成功！

“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?！编囆∑酵驹诮ǔ傻涠Y上說。

4年時間，中國科學(xué)家真的“跳”上了國際高能物理這列疾馳的列車。

“對撞機(jī)的成功是中國科技發(fā)展的重要里程碑?！敝Z貝爾物理學(xué)獎獲得者里克特如是評價。

從此，中國大科學(xué)計(jì)劃的時代正式開啟。

4 “兩軍相逢勇者勝”

1990年，經(jīng)過一年多的調(diào)試，北京正負(fù)電子對撞機(jī)正式運(yùn)行。

它很快成為中國高能物理基礎(chǔ)研究的“寶地”。憑借它產(chǎn)出的數(shù)據(jù)，中國科學(xué)家取得了一批在國際高能物理界有影響的重要研究成果：實(shí)現(xiàn)迄今對τ輕子質(zhì)量的最精確測量；實(shí)現(xiàn)20億至50億電子伏特能區(qū)正負(fù)電子對撞強(qiáng)子反應(yīng)截面（R值）的精確測量；發(fā)現(xiàn)“質(zhì)子-反質(zhì)子”質(zhì)量閾值處新共振態(tài)；發(fā)現(xiàn)新粒子X（1835）……

世紀(jì)之交，國際高能物理競爭越發(fā)激烈，而北京正負(fù)電子對撞機(jī)已經(jīng)運(yùn)行了10年。中國科學(xué)家們有了一個新想法：升級！

時任高能所所長陳和生一直密切關(guān)注國際高能物理前沿的發(fā)展。2000年，他主持制定的“中國高能物理和先進(jìn)加速器發(fā)展目標(biāo)”得到國家科技領(lǐng)導(dǎo)小組原則同意，其中包括對北京正負(fù)電子對撞機(jī)的重大改造。

得知這一消息，美國康奈爾大學(xué)的康奈爾正負(fù)電子對撞機(jī)團(tuán)隊(duì)感受到了威脅。他們宣稱，將采用“短平快”的方法改造康奈爾正負(fù)電子對撞機(jī)，預(yù)計(jì)比改造后的北京正負(fù)電子對撞機(jī)早兩年達(dá)到同樣的性能指標(biāo)。

這無異于一次“宣戰(zhàn)”。“兩軍相逢勇者勝！”陳和生告訴身邊的科研人員。他和國際上的專家反復(fù)討論后發(fā)現(xiàn)，康奈爾大學(xué)的方案不一定能實(shí)現(xiàn)，而中國的設(shè)計(jì)方案只要努力就一定能做成。

大家決定迎難而上，對北京正負(fù)電子對撞機(jī)改造（BEPCII）方案作出重大調(diào)整，采用國際先進(jìn)的雙環(huán)方案，計(jì)劃將北京正負(fù)電子對撞機(jī)的性能提高100倍，以便在國際競爭中獲得主動權(quán)。

2004年1月，BEPCII正式動工，建設(shè)內(nèi)容包括注入器改造、建造雙儲存環(huán)對撞機(jī)、新建北京譜儀III和通用設(shè)施改造等。

一場激烈的國際競賽由此展開。

除高能所外，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所等和相關(guān)院外科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)都參與其中，形成建制化的攻關(guān)力量。

他們用5年時間，將北京正負(fù)電子對撞機(jī)的亮度和綜合性能提高到國際領(lǐng)先水平，工程自主研制設(shè)備超過85%。

升級后的北京正負(fù)電子對撞機(jī)實(shí)現(xiàn)了微米級高流強(qiáng)束團(tuán)精確對撞，峰值亮度約為改造前的100倍，加上探測器性能和運(yùn)行效率的提升，日積分亮度較改造前提高100倍以上。

到2009年BEPCII工程完成時，康奈爾大學(xué)的對撞機(jī)只達(dá)到其設(shè)計(jì)指標(biāo)的四分之一，不得不停止運(yùn)行。在那臺對撞機(jī)上做實(shí)驗(yàn)的許多高能物理學(xué)家加入了北京譜儀III合作組。

“這是中國高能物理實(shí)驗(yàn)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”李政道如是評價。

更高的性能帶來更豐碩的科研成果。2013年3月，北京譜儀III合作組宣布發(fā)現(xiàn)新的共振結(jié)構(gòu)Zc（3900），這極可能是科學(xué)家長期尋找的“四夸克物質(zhì)”，入選美國《物理》雜志公布的2013年物理學(xué)領(lǐng)域十一項(xiàng)重要成果，并位列榜首。自2008年開始運(yùn)行到2015年6月底，他們還觀測到新粒子X（1870）、X（2120）、X（2370）等。

在科研過程中，年輕的高能物理研究人員也成長起來，一批批優(yōu)秀的博士、博士后源源不斷地輸送到全國各大科研機(jī)構(gòu)、高校，成為中國高能物理發(fā)展的新鮮血液。

高能所現(xiàn)任所長王貽芳感慨地說：“今天看來，建造北京正負(fù)電子對撞機(jī)是當(dāng)時作的最好選擇。它讓中國高能物理在國際高能物理領(lǐng)域占有一席之地，培養(yǎng)了一支具有國際水平的隊(duì)伍，也推動了國內(nèi)其他大科學(xué)裝置的建設(shè)。”

時至今日，北京正負(fù)電子對撞機(jī)的改造仍在進(jìn)行?！拔覀冋趯铀倨鞑糠肿龈脑?，把它的亮度再提高3倍，之后，北京正負(fù)電子對撞機(jī)預(yù)計(jì)可以運(yùn)行到2030年左右。”王貽芳說。

在很多過來人眼中，北京正負(fù)電子對撞機(jī)的建設(shè)是幾代科技工作者接續(xù)奮斗的結(jié)果，是全國許多單位大力協(xié)同取得的成就，也得益于改革開放后的國際合作。

在王貽芳看來，北京正負(fù)電子對撞機(jī)留下的“啟示”，包括“高能物理發(fā)展要綜合考慮前沿科學(xué)目標(biāo)、國家實(shí)力與需求、學(xué)科自身發(fā)展目標(biāo)來選擇裝置建造方案”，“要敢于接受國際上的挑戰(zhàn)和競爭”，“國內(nèi)的實(shí)驗(yàn)基地始終是鞏固和發(fā)展國際地位的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)”，“裝置建設(shè)方案要盡可能兼顧其他學(xué)科的需求”，“要堅(jiān)持自主創(chuàng)新與國際合作相結(jié)合”……

回顧過去，中國高能物理的起步艱辛而曲折，但科學(xué)家們從未失去希望與激情。曾經(jīng)的挫折與榮光，成就了中國高能物理學(xué)家的膽識與氣質(zhì)。他們也為后來者積累了一個極其寶貴的經(jīng)驗(yàn)——在困頓中堅(jiān)守，在希望中奮進(jìn)。