北京西郊，有个大家伙！（上）|北京市|原子核|对撞机|探测器|粒子|西郊|谱仪

导语

中科院高能物理所科研人员在安装完成的北京谱仪端面签名留念

图片来源：中国科学院高能物理研究所网站

2007年11月，在北京长安街以西的地下隧道内，北京谱仪Ⅲ（BESⅢ）安装工作圆满收官。按照大型探测装置落成的传统，科研人员纷纷在探测器外层端盖板上签下名字。一枚枚签名，是参与国家重大科技工程的印记，更是属于整个团队的荣耀见证。

一个个名字凝聚起当下的喜悦，也让我们回望初心。早在多年以前，第一代北京谱仪的诞生，就已开启了这段逐梦粒子物理的征程。

北京西郊，有个大家伙

1988年深秋，北京西郊玉泉路附近，一台重500多吨的大家伙——第一代北京谱仪（BESⅠ），正式安装到刚刚建成的北京正负电子对撞机上。当年10月24日，对撞机顺利竣工并实现首次正负电子对撞。这台机器有个名字——北京谱仪，代号BES-I。它是中国人自己造的第一台大型粒子物理探测器。

北京正负电子对撞机（BEPC）的总体简图。北京正负电子对撞机（BEPC）由注入器、输运线、储存环、北京谱仪（BES）和同步辐射装置（BSRF）几部分组成。

图片来源：中国科学院高能物理研究所网站

在它出现之前，中国的高能物理学家们过的是另一种日子。他们坐在国外的实验室里，看别人的数据，用别人的设备，在别人主导的文章上挂个名字。科研上处处受制于人：没有自己的加速器，就没有自己的数据。没有自己的数据，就什么都做不了。你能发什么文章、能研究什么问题、能在国际上说什么话，全都取决于别人给不给你数据。

这件事，急不得，但也等不得。

【补充阅读】

要理解BES-I，得先搞明白：高能物理是什么？

你有没有想过，这个世界最小的东西是什么？不是原子，不是电子，是比它们还小亿万倍的夸克。我们日常接触的一切——桌子、椅子、空气、水，拆到最后都是原子。原子再拆，是原子核和电子。原子核再拆，是质子和中子。质子和中子再拆，就是夸克。

高能物理通过加速粒子并实现高能对撞，探索基本粒子的性质、相互作用，以及物质、能量和时空的深层规律。

LHC铅离子对撞实验，产生了大量新的物质

图片来源：中国科学院高能物理研究所网站

目前人类最精确的理论叫“标准模型”，描述了61种基本粒子和三种基本力……围绕这一理论的发现，已斩获十余项诺贝尔奖，可以说是人类文明目前最漂亮的科学理论之一。欧洲的大型强子对撞机，质心能量13.6TeV，相当于把1万亿伏电压加在1米距离上，让一个电子走过去所获得的能量。就是在这种极端条件下，标准模型预言的粒子才会一个一个被"撞"出来。

而这些诺奖成果，当时都与中国无关。一个文明在最深层认识自然的能力，决定了它在整个科技版图上的位置。标准模型预言了61种基本粒子，其中绝大多数已被实验证实，实验是检验理论、发现新粒子的关键。而做实验，需要加速器，需要探测器，需要数据。

二十世纪七十年代那批科学家想明白了这件事：再不动手，就彻底被挡在门外了。不是少发几篇论文的事，是在人类认知最深层的那张桌子上，连座位都没有。

1984年，中国决定建设自己的正负电子对撞机和探测器。当时有一个很现实的考量：建设对撞机所需的计算机等设备，不在国际禁运清单上。这是一个难得的窗口期。借基础科研打开局面，争取在国际学术舞台上的话语权，也是当时的一个重要考量。

说是决定，做起来远比想象中难。

BEPC的建设从1984年动工，中间经历了无数次方案调整、技术攻关和经费拉锯。探测器的设计更是从零开始——当时中国连一台像样的大型粒子探测器都没造过，很多关键技术要从头摸索。磁铁怎么绕，探测器怎么排布，电子学系统怎么搭，全是一片空白。

但就是这帮人，一点一点把它啃下来了。1988年10月，BES-I建成。1989年春天，它正式开始取数。

1989年6月22日，北京谱仪首次测量到J/ψ共振峰.

图片来源：中国科学院高能物理研究所网站

BES-I到底长什么样？

它像一个巨大的洋葱，一层套一层，每一层都有自己的任务。最里面是顶点室和主漂移室。带电粒子飞过的时候，会在这些探测器上留下痕迹，物理学家根据痕迹算出粒子的轨迹，再算出动量。往外一层是飞行时间计数器，测粒子飞了多久。飞得快的和飞得慢的，往往是不同的粒子，所以这个数据能帮物理学家判断粒子的种类。再往外是簇射计数器，专门测能量——粒子撞进来，能量被吸收，转化成电信号，物理学家就知道这个粒子带了多少能量。最外面是μ子鉴别器，专门抓那些穿透力极强的μ子。别的层都挡不住它，只有这一层能抓住它。

整个谱仪被一个螺旋线磁铁包住，提供磁场。带电粒子在磁场里会拐弯，往左拐的和往右拐的，就能分出正电荷和负电荷。亮度监测器则在一旁盯着对撞机的碰撞频率，确保数据质量。

【补充阅读】

为什么选在τ-粲能区运行？

这个能量范围有一堆重要的物理问题等着回答：τ轻子的性质、粲强子的能谱、R值的精确测量——这些都是当时国际上最前沿的课题。欧洲和美国的实验在别的能区做得很好，但τ-粲能区恰好是一个空白。中国人选这个位置，等于选了一条别人没走的路。

北京谱仪的整个装置长约6米，高和宽各7米，重500多吨。1990年，它拿了国家科技进步特等奖。

其工作原理说起来也不复杂：正负电子在中心对撞，炸出一堆新粒子。这些粒子向四面八方飞出去，穿过一层又一层探测器。BES-I把它们的轨迹、能量、种类全部记下来。物理学家再从这些数据里找规律，看看有没有新粒子，看看已知粒子的性质是不是跟理论预言一致。

你可以把它理解成一台超级“相机”，只不过它拍的不是风景，是比原子还小亿万倍的基本粒子。

运行初期四年里，BES-I便积累了上亿次对撞数据。谁也没想到，这些数据后来会改变世界粒子物理的几张重要图表。

未完待续