中国首台高能加速器的华丽变身

科技进步一等奖——北京正负电子对撞机

团队成员庆祝BEPCII对撞亮度达到设计指标(中科院高能所供图)

团队成员庆祝BEPCII对撞亮度达到设计指标(中科院高能所供图)

还记得中学课本里描写的“北京正负电子对撞机”吗?这个英文名为BEPC的装置,是我国第一台高能同步加速器,也是共和国首台大科学装置,它的酝酿与诞生曾让几乎每位中国人铭记于心。

最近,这个让国人骄傲并被写进历史的大科学装置,再度笑傲江湖。不过这一次亮相的是它的“升级版”。

2009年,历时5年、耗资6.4亿元,BEPC实现华丽变身,经过重大改造工程升级为BEPCII。BEPCII建成并开始为用户供束时,整体性能已经提高至原先BEPC的30多倍,是这个能量区域里美国康奈尔大学的加速器CESRc曾创下的世界纪录的4倍多。2016年4月,在BEPCII的设计能量下,峰值对撞亮度达到设计指标,为原BEPC的100倍,再创此能区对撞亮度的世界纪录。

今年1月,这项重大改造工程获得了2016年度国家科技进步一等奖。中国高能物理领域引领国际科技前沿的利器实至名归。

国际竞争:没有硝烟的战场

1989年,BEPC刚开始运行不久。那时,现任高能物理所副所长的秦庆还是一名研究生。在BEPC项目经理、中国科学院院士方守贤的建议下,秦庆参加了BEPC的运行与改进、提高工作。没想到,此后的28年里,秦庆的高能物理生涯与这个大科学装置难解难分。

“我的工作主线就是BEPC,以及此后重大改造项目的设计、建造、调束和运行。”秦庆告诉《中国科学报》记者。

当时,为了帮助年轻科学家深度参与对撞机国际前沿,高能物理所将年轻科学工作者派到各个国家的顶级对撞机实验室进行交流学习。秦庆被派去欧洲核子研究中心参加大型强子对撞机的设计研究工作。后来又被派往美国康奈尔大学威尔逊实验室,那里有美国著名的正负电子对撞机CESR。

BEPC和降低能量至粲能区运行的CESR,即CESRc一度成为了竞争对手。1988年,BEPC建成后在粲能区一直是性能在国际上领先的对撞机,取得了诸如陶轻子质量精确测量、R值测量和新粒子X(1835)的发现等举世瞩目的物理成果。

为了在粲能区争夺物理成果,CESR从2000年起就着手转入粲能区的研究,提出了CESRc/CLEOc的计划,把束流能量从原来的5.6GeV降低到1.55—2.5GeV运行,它的降低能量运行,将全面超越BEPC及最初提出的BEPC升级改造目标。

从2004年开始,BEPC的领先优势已让位于美国康奈尔大学的正负电子对撞机CESRc。

其实,早在1998年,BEPC就提出了改造方案。但CESR改造成CESRc后,其设计对撞亮度比最初BEPC提出的改造方案的亮度还要高。“在此情况下,我们就算是建成了也没有意义。于是我们修改了方案,将原先的单环对撞方案改成双环方案,并追加一定的投资。”秦庆说。

极限挑战:设备性能发挥极致

方案的改变,意味着难度的增加。“BEPC改造的难度,比当初建造时的难度要大得多。”BEPC重大改造工程的第一完成人、项目经理、中国科学院院士陈和生不禁感慨。

难度究竟有多大,每位参与者都有切身体会。

中科院高能所研究员,现任加速器物理组组长及对撞机亮度调试负责人于程辉就是其中之一。他参加了BEPCII前期的物理方案设计,中期的设备安装和调试,以及后期整个机器的集成和性能优化。

“当时的压力是我们不仅是要升级自己,而且还要胜出对方。”于程辉心里明白,在同一个能区的高能物理领域,两个同样的正负电子对撞机是无法共存的,只能是一个最好的生存下来。

在于程辉的印象中,2012年左右,BEPCII的调束和运行遭遇过一个“大坎”。“当时,我们反复对束束作用参数调试了两年多,却一直没能实现理论预期,那个时候真是挺担心的。”于程辉说。

此后他们对物理方案进行重新的改进优化,而新方案有效地让加速器实现了预期的物理目标。“到2013年时我们心里就有底了。从那时起直到2016年,我们一直在挑战硬件极限,努力把每一个设备都调整到最佳状态。”于程辉说。

最终,BEPCII突破了双环对撞机设计与建造的难关,攻克系列核心关键技术,使BEPCII总体性能在粲能区国际领先,对撞亮度达到竞争对手CESRc所达到的亮度的10倍以上。

“科学无国界,但科学成果有国界。如今,在与美国康奈尔大学的高能物理竞争中,无论是对撞机性能指标,还是对撞机取得的物理成果,我们都胜出了。”于程辉感叹。

不仅如此,北京谱仪BESIII的总体性能也达到了国际最好水平。BEPCII不仅实现了高效运行,还实现了全能量注入和高能物理实验同时进行的同步辐射兼用模式运行。

往事回首:心情像坐“过山车”

过去的那些年里,于程辉时刻惦记着BEPCII的运行状态,特别是在调束初期脑子里一直转着的都是对撞机的事情。每当调束遇到障碍时,都细细地把每个设计环节捋一遍,生怕有一点疏漏。

“无论哪个环节有纰漏,造成的影响都是严重的。万一真的出了致命问题,影响的是整个装置的性能。”于程辉说。

直到最终BEPCII达到设计指标,于程辉才彻底松了一口气:“在那之前,真不是怕对不起自己,怕对不起国家,对不起身边的同事,我们自己设计了对撞机,就得说到做到啊!”

这样的想法和压力,并不只是于程辉才有。参与项目的科研人员,情绪像做“过山车”一般,每天的喜怒哀乐都被BEPCII项目进展牵绊着。

“看见第一团束流注入进储存环的时候,对撞亮度一次次提高的时候,获得重大的高能物理成果的时候,我们都非常非常开心,就跟我们自己的孩子取得好成绩一样。但是如果遇到问题,比方说丢束流、撞不好,或者说出了故障而用户在等,物理要求的进度在催的时候,我们又都非常非常沮丧。”秦庆说。

令所有项目组成员都欣慰的是,自2008年BEPCII开始运行以来,其高亮度对撞机和高性能探测器的优势得到了充分发挥,日均获取的数据量较改造前提高了两个数量级。由11个国家的50多所大学和研究机构的400余名科学家组成的BESIII国际合作组也是“以我为主”的重大国际合作组,在轻强子谱的研究、粲偶素的衰变等方面取得多项重大和重要物理成果,获得了如“首次发现带电类粲偶素Zc(3900)”等一批重要物理成果。

不过,有趣的是,在得知项目获得国家科技进步一等奖时,于程辉反倒淡薄起来:“国家科技奖励是对我们的认可和鼓励。但每一次的项目进展和成果给我们带来的心理上的喜悦,其实远大于国家奖励带来的喜悦。”

“我们还在进行一些小的改造,希望能在积累大量数据的同时,再多一些新的技术突破,为今后建造新的对撞机或者同步辐射光源,积累经验。”于程辉笑着说。

来源:news.sciencenet.cn

标签:中国

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