5月13日凌晨,北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCII)的對撞亮度在1.89GeV能量下達到3.01×1032cm-2s-1,勝利達到亮度的驗收指標。此前,BEPCII工程的直線加速器、探測器和同步輻射專用光運行均已達到設計指標。至此,歷時5年、耗資6.4億元的北京正負電子對撞機重大改造工程圓滿完成。
中科院高能物理研究所所長、北京正負電子對撞機重大改造工程經理陳和生介紹,5月19日,中科院組織有關專家對BEPCII的儲存環(huán)性能進行了工藝測試,中國科學技術大學何多慧院士擔任專家組組長。現場測試結果表明BEPCII主要性能“亮度”達到了3.2×1032cm-2s-1,超過了驗收指標。BEPCII的性能已比改造前提高30多倍,是這個能量區(qū)域里美國康奈爾大學的加速器CESR曾創(chuàng)下的世界紀錄的5倍。
陳和生介紹,BEPC是在鄧小平同志親切關懷下建設的國家大科學工程,建成后迅速成為在30億到50億電子伏特能量區(qū)域居世界領先地位的對撞機,獲得了大批重要的物理成果,成為國際高能物理界的熱點之一。國際高能物理的發(fā)展要求BEPC進一步大幅提高加速器和探測器的性能,實現更加精確的測量,去回答高能物理實驗領域許多重大的問題,探索新的物理現象。
從1999年開始,北京正負電子對撞機未來發(fā)展的預先研究已經開始。改造工程最初計劃采用單環(huán)方案,使用麻花軌道實現多束團對撞,亮度提高一個數量級左右。但由于受到BEPC豐碩科研成果的吸引,2001年美國康奈爾大學把一臺原先在高能量下運行的對撞機轉到BEPC的能區(qū)工作(稱為CESRc),主要設計指標對撞亮度與BEPC改進升級的目標相同。但是他們采用短平快的方法,聲稱能在2~3年內達到設計目標。實際上,他們的短平快方法并不成功,CESRc只達到了設計性能的1/5到1/8。
“然而在當時,如果BEPCII不改變方案,大幅度提高效能,我們將失去國際競爭力!标惡蜕榻B,面對嚴峻的競爭,為了繼續(xù)保持在國際高能物理研究上的優(yōu)勢,中國科學家接受挑戰(zhàn),迎難而上,提出了新的改造方案。
采用最先進的雙環(huán)交叉對撞技術改造對撞機,設計對撞亮度比原來的對撞機高30~100倍,遠高于康奈爾大學對撞機,使BEPCII將在世界同類型裝置中繼續(xù)保持領先地位,成為國際上最先進的雙環(huán)對撞機之一。這個方案的驗收指標是將性能提高30倍,難度極大。
這個方案得到了科學界的支持和國家的批準,并在2004年初開工建設,稱為北京正負電子對撞機重大改造工程。研究人員在參考國際先進的雙環(huán)方案的基礎上,根據“一機兩用”的設計原則,巧妙地利用外環(huán)提供同步輻射光,并將硬X光的強度提高了一個數量級,滿足廣大同步輻射用戶的需求。
BEPCII工程于2004年1月動工,計劃工期5年,改造的主要目標是提高對撞機的性能,使粲物理數據增加兩個數量級。
“我們邊建設邊提供同步輻射光,創(chuàng)國際先例。”陳和生說,盡管工程建設和調束的時間十分緊張,高能所仍堅持以國家需求為己任,考慮到上海同步輻射光源尚未建成,為了保證國內廣大同步輻射用戶研究工作的需要,主動將工程建設分為三個階段:直線加速器改造、儲存環(huán)改造和探測器改造,并克服重重困難,在每個階段都插入同步輻射運行,最大限度地減少工程對同步輻射用戶造成的影響,創(chuàng)造了在大型加速器的建設過程中提供同步輻射專用光服務的國際先例。
今年4月下旬,開始本輪調束前,BEPCII/北京譜儀III進行物理數據采集,僅用不到一個月的時間,就獲得了1億 ψ(2S)衰變事例,是目前世界上最大的在ψ (2S)共振峰上采集的數據樣本,數據質量非常好。而改造前獲取1400萬事例要用三個多月的時間。
“BEPCII挑戰(zhàn)加速器建設和調試的難度極限!标惡蜕嘎,國際上成功的雙環(huán)電子對撞機的周長一般在2公里以上,而北京正負電子對撞機(BEPC)儲存環(huán)的周長短,只有240米。隧道原來是給單環(huán)設計的,空間狹小,現在要在隧道內給正負電子束流各做一個儲存環(huán),設備擁擠到了極點。國外成功的雙環(huán)對撞機是在80米距離內實現電子對撞再分開,BEPCII的對撞區(qū)非常短,必須在28米內實現。
其次,多項先進技術為首次應用。為了繼續(xù)保持在τ—粲物理能區(qū)的先進性,工程采用大量國際上的頂尖技術,而許多技術、設備是國內從未有過的,而高能物理對撞機的加工精度往往比航天、航空領域的要求還要高。比如,對撞機必須使用多種先進的超導設備,大多為國內從未有過的,并為此建立大型氦低溫系統。其他首次應用的技術還有加速器建造中的橫向反饋系統、超導高頻系統、超導磁鐵、全環(huán)軌道慢反饋、束團流強檢測控制,探測器建造中的高分辨率晶體量能器、小單元氦基氣體漂移室、大型螺線管超導磁體、阻性板室(RPC)等。
據悉,BEPCII對撞亮度達到驗收指標的消息傳出,世界各大實驗室的加速器專家,如歐洲核子研究中心(CERN)的副所長Steve Myers、大型正負電子對撞機LEP和大型強子對撞機LHC的調束運行負責人CERN的Paul Collier博士、美國布魯克海文實驗室(BNL)的著名加速器專家翁武忠博士、美國斯坦福直線加速器中心(SLAC)的趙午教授等紛紛在第一時間發(fā)來郵件表示祝賀。