北京正負電子對撞機重大改造工程完成建設(shè)任務(wù)
不詳 ?佚名 ? 2008年09月01日 ? ?科學(xué)前沿
BEPCII直線加速器
BEPCII儲存環(huán)示意圖
北京正負電子對撞機（BEPC，Beijing Electron-Positron Collider）于1988年建成，是我國唯一的一臺高能粒子對撞機，主要進行高能物理實驗研究，研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小單元構(gòu)成及其相互作用規(guī)律。兩束高能正負電子粒子相撞，使打碎“基本粒子”的能量更高，從而深入探測到粒子的內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象。同時還可以開展同步輻射實驗研究、中能核物理實驗研究和慢正電子實驗研究等，屬于多功能的大型科學(xué)實驗裝置。
2000年，高能物理研究所提出了我國的高能物理和先進加速器發(fā)展目標(biāo)，提議對BEPC進行重大改造。后來美國康奈爾大學(xué)也提出對紐曼實驗室的對撞機進行改造，能量降到BEPC涉及的能區(qū)。我國科學(xué)家們考慮到國際競爭，同時根據(jù)國際高能物理的研究狀況及加速器的發(fā)展水平，提出采用世界上更多的先進技術(shù)，使對撞亮度提高100倍，這個方案即是BEPCII。BEPCII的建設(shè)目標(biāo)是對BEPC和BES（北京譜儀）進行重大改造，采用多束團、大交叉角對撞方式，使之成為當(dāng)前國際上最先進的雙環(huán)對撞機之一。它利用BEPC的隧道，在現(xiàn)有的儲存環(huán)內(nèi)再建設(shè)一個儲存環(huán)，新老兩個半環(huán)在南北兩個對撞區(qū)分別交叉，形成兩個等同的儲存環(huán)。每個環(huán)分別可以儲存93個束團，在南對撞區(qū)相撞。同時BEPCII還采用超導(dǎo)高頻加速技術(shù)和超導(dǎo)插入磁鐵技術(shù)，這種技術(shù)能夠?qū)ψ残阅芴岣?00倍。位于南對撞區(qū)的北京譜儀也將進行全面改造，以適應(yīng)BEPCII高計數(shù)率運行的要求，并大幅度提高測量精度和粒子識別能力，減少系統(tǒng)誤差，與BEPCII的高亮度提供的高統(tǒng)計精度相匹配，滿足在粲物理能區(qū)進行精確測量，探索新的物理現(xiàn)象的要求。改造后的北京譜儀將為我國在今后相當(dāng)長的時期內(nèi)繼續(xù)保持粲物理研究的國際領(lǐng)先地位，攀登世界科學(xué)高峰，取得原始創(chuàng)新性物理成果奠定基礎(chǔ)。BEPCII投資6.4億元，建設(shè)工期5年。
BEPCII的物理窗口屬于高精度前沿的國際高能物理實驗研究。它的工作能區(qū)為2～4.4GeV，通過高統(tǒng)計、高精度的測量，研究微擾和非微擾量子色動力學(xué)及其過渡階段性質(zhì)，精確測量標(biāo)準(zhǔn)模型的CKM矩陣元、研究J/ψ、ψ′和ψ（3770）能區(qū)內(nèi)的稀有衰變，研究輕強子譜，J/ψ家族和激發(fā)態(tài)重子等前沿課題，并尋找膠子球、夸克－膠子混雜態(tài)和奇異態(tài)等新粒子，以期探索新的物理現(xiàn)象，進一步深化對粒子物理的發(fā)展研究。
2003年2月10日，國務(wù)院總理辦公會議批準(zhǔn)了BEPCII項目建議書。3月12日，中科院下發(fā)文件，成立BEPCII項目管理委員會，中科院副院長白春禮任主任；成立項目工程指揮部，高能所所長陳和生任經(jīng)理；同時成立了由何多慧院士為主任的13人項目科學(xué)技術(shù)委員會。
2004年4月30日，在BEPC/ BES勝利結(jié)束了15年來的科學(xué)實驗使命后，BEPCII進入全面啟動階段。率先開始改造的直線加速器于當(dāng)年11月19日高效率地完成主體改造，電子束調(diào)試成功。年底改造后的對撞機開始向所內(nèi)外同步輻射用戶開放，開展同步輻射實驗研究。BEPC改造過程中依然為用戶提供同步輻射光，最大限度地降低了對全國同步輻射用戶的影響，充分發(fā)揮大型科學(xué)平臺的作用。這在國際上史無前例。
2005年7月開始改造儲存環(huán)，工程人員經(jīng)過16個月艱苦卓絕的努力，克服了儲存環(huán)空間狹窄、沒有吊車等硬件的限制，終于在2006年11月9日圓滿完成BEPCII儲存環(huán)所有主體設(shè)備的安裝，11月18日電子束流成功地在BEPCII儲存環(huán)中積累，這樣的建設(shè)速度在世界加速器調(diào)束的歷史上也非常罕見。2007年3月25日，BEPCII成功實現(xiàn)正負電子對撞，2008年1月29日，BEPCII實現(xiàn)了530mA×530mA的多束團對撞，對撞亮度超過BEPC的10倍。
科技人員充分發(fā)揮BEPCII大科學(xué)裝置平臺的作用，實現(xiàn)“一機多用”。同步輻射運行的性能伴隨著對撞機的重大改造也得到大幅度提高。同步輻射實驗的用戶主要來自全國的研究所和高校，也有國外部分用戶在此做實驗研究。同步輻射實驗涉及的學(xué)科非常廣泛，其研究領(lǐng)域涵蓋了物理、納米科學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)化工、生命科學(xué)、資源環(huán)境、醫(yī)學(xué)等，每年有來自國內(nèi)外的近百個研究機構(gòu)和大學(xué)的1000多名用戶來BSRF進行200多個課題實驗，一般每年的實驗時間不少于3個月。同步輻射專用模式的束流能量為2.5GeV，流強超過250mA，硬X光強度提高了一個數(shù)量級以上，實驗性能和效率明顯提高，并進一步擴展了兼用光模式運行。BEPCII建造期間仍繼續(xù)為同步輻射用戶提供專用光實驗，受到全國用戶們的一致好評。目前BEPCII已經(jīng)開展了三輪同步輻射專用光實驗，合計4個月。BEPCII建造過程中，還開展了核物理實驗和慢正電子實驗等科學(xué)研究。
在BEPCII指揮部的領(lǐng)導(dǎo)和全體工程人員的奮力拼搏下，BEPCII取得了一系列突破性進展。2007年底，BEPCII的注入器——直線加速器改造通過了中科院組織的工藝測試，所有指標(biāo)均達到或超過設(shè)計指標(biāo)，性能達到國際先進水平；2008年3月，BEPCII的同步輻射專用光模式也通過了中科院組織的工藝測試，能量為2.5GeV，流強大于250mA，所有指標(biāo)均達到設(shè)計要求。大型高能物理探測器BESIII已安裝到位，各子探測器工作正常。
2008年7月19日， BEPCII取得重要進展——加速器與北京譜儀聯(lián)合調(diào)試對撞成功，觀察到了正負電子對撞產(chǎn)生的物理事例。這是BEPCII工程的重要里程碑，標(biāo)志著BEPCII高質(zhì)量、按計劃、不超預(yù)算地圓滿完成了建設(shè)任務(wù)，各種設(shè)備工作正常，進入試運行階段，開始進入高能物理實驗研究。
在BEPCII 建成之后，預(yù)期每年能獲取的有效物理事例提高百倍，比國外同能區(qū)的物理事例高千倍，為粲物理實驗研究提供高統(tǒng)計量的數(shù)據(jù)和小的系統(tǒng)誤差的精確測量，探索新的物理現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)新粒子。預(yù)計投入運行后3~5年內(nèi)，將獲得若干對世界高能物理研究產(chǎn)生重大影響的創(chuàng)新性物理成果。改造后的北京正負電子對撞機的亮度是美國康奈爾大學(xué)對撞機設(shè)計亮度的3~7倍，將在世界同類型裝置中繼續(xù)保持領(lǐng)先地位。中科院高能物理研究所依托北京正負電子對撞機國家實驗室，將成為國際知名的高能物理實驗基地。
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