1988年10月16日，凝聚着中国几代高能物理学家梦想与心血，在中国科学院高能物理研究所建造的北京正负电子对撞机（BEPC）首次实现束流对撞，宣告建造成功。这是中国高能物理发展史上的重要里程碑。《人民日报》报道这一成就时，称“这是我国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后，在高科技领域又一重大突破性成就”。这项成果荣获1990年国家科学技术进步奖特等奖。BEPC建成后，迅速投入运行，取得了一批重大的研究成果。
对撞机—观察微观世界的“显微镜”
古往今来，人们一直在思考、探索：世界万物究竟是由什么构成的？它有最小的基本结构吗？高能物理就是一门研究物质的微观基本组元和它们之间相互作用规律的前沿学科。对撞机正是观察微观世界的“显微镜”，它将两束粒子（如质子、电子等）加速到极高的能量并迎头相撞，通过研究高能粒子对撞时产生的各种反应，研究物质深层次的微观结构。
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）和北京同步辐射装置（BSRF）等部分组成，外形像一只硕大的羽毛球拍。球拍的把柄是全长202米的行波直线加速器，拍框就是周长240米的储存环。由电子枪产生的电子和电子打靶产生的正电子，在直线加速器里加速到15亿电子伏，注入储存环。正负电子在储存环里可进一步加速到22亿电子伏，以接近光的速度相向运动，并以125万次/秒的速度进行对撞。有着数万个数据通道的北京谱仪，犹如火眼金睛，实时地观测对撞产生的次级粒子，并把所有数据保存到计算机中。科学家通过离线的数据处理和分析，，进一步认识这些粒子的性质，从而揭示微观世界的奥秘。
▲BEPC布局示意图
党和国家领导人直接关怀高能物理事业
我国的高能物理研究始于20世纪60年代，走过了漫长而曲折的道路。1972年8月，张文裕等18位科技工作者致信周恩来总理，提出发展中国高能物理研究的建议。周总理亲笔回信指出：“这件事不能再延迟了。科学院必须把基础科学和理论研究抓起来，同时又要把理论研究和科学实验结合起来。高能物理研究及高能加速器的预制研究应该成为科学院要抓的主要项目之一。”
▲周恩来总理的亲笔回信
在周恩来总理的亲切关怀下，中国科学院高能物理研究所于1973年年初在原子能研究所一部的基础上成立，开始了我国高能物理研究走向世界的新征程。
1975年3月，已重病卧床的周恩来总理和当时刚刚重新主持工作的邓小平一起批准了高能加速器预制研究计划。在这之后，高能物理研究所又提出多个加速器研制方案。在经历了从20世纪50年代起高能加速器建设计划“七上七下”的曲折过程后，直到1981年5月，国内外专家的意见都逐渐集中到建造2×22亿电子伏正负电子对撞机的方案上。
1981年年底，中国科学院向党中央报告，提出建设北京正负电子对撞机的方案。邓小平在报告上批示：“他们所提方案比较切实可行，我赞成加以批准，不再犹豫。”
1983年12月，中央决定将对撞机工程列入国家重点建设项目，并成立了对撞机工程领导小组。不久，由14个部委组成了工程非标准设备协调小组，组织全国上百个科研单位、工厂、高等院校大力协同攻关，土建工程由北京市负责全力保障。
1979年1月，邓小平率中国政府代表团访美，国家科委与美国能源部签订了中美《在高能物理领域进行合作的执行协议》，并成立了中美高能物理合作委员会。在BEPC的建造过程中，中美高能物理联合委员会发挥了重要作用。
四载拼搏谱华章
1984年10月7日，BEPC工程破土动工。邓小平亲自题词并为工程奠基，铲下了第一锹土，又亲切接见了工程建设者的代表。
国家的重视和改革开放，极大地鼓舞了中国科学院高能物理研究所和全国上百个单位的工程建设者，他们发挥社会主义大协作精神，夜以继日，奋战了四年。1988年10月16日，对撞机首次实现正负电子对撞，完成了小平同志提出的“我们的加速器必须保证如期甚至提前完成”的目标。仅仅四年时间，中国的高能加速器从无到有再到建造成功，这一建设速度在国际加速器建造史上也是罕见的。10月20日《人民日报》报道这一成就，称“这是我国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后，在高科技领域又一重大突破性成就”，“它的建成和对撞成功，为我国粒子物理和同步辐射应用开辟了广阔的前景，揭开了我国高能物理研究的新篇章”。
▲邓小平题词
▲北京正负电子对撞机国家实验室鸟瞰
▲BEPC储存环（左）/BEPC上的大型探测器—北京谱仪（右）
1988年10月24日，邓小平又一次到高能物理研究所视察，发表了重要讲话《中国必须在世界高科技领域占有一席之地》。他铿锵有力地说：“过去也好，今天也好，将来也好，中国必须发展自己的高科技，在世界高科技领域占有一席之地。如果60年代以来中国没有原子弹、氢弹，没有发射卫星，中国就不能叫有重要影响的大国，就没有现在这样的国际地位。这些东西反映一个民族的能力，也是一个民族、一个国家兴旺发达的标志。”
硕果累累的北京正负电子对撞机
BEPC能量为2×22亿电子伏，所选的能区恰恰是一个τ-粲物理的“富矿区”，为我国的高能物理研究后来居上提供了机遇。
BEPC/BES自1990年开始运行，积累的事例数据比此前国际上其他实验室的数据高一个数量级以上，构成了τ-粲能区世界上最大的数据样本。“以我为主”的BES国际合作，吸引了包括国内18所科研机构的200多位研究人员，以及来自美、日、韩等国十余所科研机构的数十名研究人员共同合作开展高能物理实验研究，在τ轻子质量的精确测量、R值测量、J/ψ共振参数的精确测量、Ds物理研究、ψ（2S）粒子及粲夸克偶素物理的实验研究、J/ψ衰变物理的实验研究等方面取得一系列国际领先的研究成果，国际权威粒子数据表（PDG）引用BES成果420多项。
▲BES上的τ轻子质量精确测量
1992年，τ轻子质量测量的精确结果把实验精度提高了10倍，结合国际上同时期的τ轻子寿命和衰变分支比的精确实验测定，再次证实了轻子普适性原理，解决了标准模型的一个疑点，被国际上评价为当年最重要的高能物理实验成果之一。
1999年，BES对20亿～50亿电子伏能区正负电子对撞强子反应截面（R值）强子的测量，将测量精度提高了2～3倍，大大提高了标准模型对希格斯粒子质量的预测精度，解决了标准模型预言与实验结果不一致的矛盾，得到了国际高能物理界的高度评价。
2003年以来，BES合作组在BEPC上陆续发现5个多夸克态新强子候选者，引起国际高能物理界的极大重视。尤其是X（1835）被认为可能是一个新型强子态。
北京正负电子对撞机重大改造
BEPC上取得的丰硕成果，在国际高能物理界引起了高度重视和激烈竞争。美国康奈尔大学有一台正负电子对撞机（CESR），原先在2×56亿电子伏高能量下工作，他们看到粲能区丰富的物理“矿藏”，决定把束流的能量降低到粲物理能区（改称为CESR-c）与我们竞争，其主要设计指标超过了BEPC。为了继续保持在国际高能物理研究上的优势，中国科学家接受了挑战，迎难而上，提出了双环改造方案，设计的对撞亮度比原来的对撞机高100倍，是CESR-c的3～7倍，从而大大提高了竞争力。这个方案得到了科学界的支持和国家的批准，并在2004年年初开工建设，即北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCⅡ）。科研人员根据“一机两用”的设计原则，采用了独特的三环结构，满足了高能物理实验和同步辐射应用的要求。工程建设者继续发扬在对撞机建设中形成的“团结、唯实、创新、奉献”的精神，依靠改革开放带来的社会发展和科技进步，圆满完成了各项重大改造工程的建设任务，于2009年7月通过了国家竣工验收，成果荣获2016年国家科学技术进步奖一等奖。
▲BEPCⅡ储存环
北京正负电子对撞机重大改造完成后，一天获取的数据量相当于改造前的100倍。李政道先生在贺信中说：“这是中国高能物理实验研究的又一次重大飞跃，为中国在粲物理研究和τ轻子高能研究方面，继续在国际上居于领先地位打下了坚实的基础。”美国康奈尔大学对撞机的负责人赖斯教授写道：“由于CLEO-c将终止运行，我们期待来自BESⅢ的一系列重要的物理发现。”其中的CLEO-c是CSER-c上的探测器。自2009年以来，BESⅢ国际合作组在高亮度的北京正负电子对撞机上，获取了粲能区共振峰上世界最大的数据样本，取得许多重要的物理成果，其中包括证实了BES上发现的X（1835）新粒子，同时还观测到两个新粒子X（2120）和X（2370）。特别是四夸克粒子的发现，被评价为“开启了物质世界新视野”，并被美国《物理》杂志评选为2013年国际物理领域11项重要成果之首。
▲北京谱仪BESⅢ
BEPC和BEPCⅡ“一机两用”，BSRF可以提供从硬X射线到真空紫外宽波段的高性能同步辐射光，是开展凝聚态物理、材料科学、生命科学、资源环境、纳米科学及微电子技术等诸多学科及其交叉前沿研究的重要基地。每年有来自全国百余个科研单位和大学的研究人员在此进行数百项实验，取得了许多重要成果。例如，在2003年正式投入使用的我国第一条生物大分子晶体学光束线与实验站上，首次获得了SARS病毒蛋白酶大分子结构和菠菜捕光膜蛋白晶体的结构等重要成果。
BEPC和BEPCⅡ的成功建设和运行，提升了我国相关工业领域的技术水平，带动了大功率速调管、等梯度加速管、超导射频、高性能磁铁、高稳定电源、超高真空、超导磁铁、大规模低温、束流测量、计算机自动控制、核探测器、快电子学、高速数据获取和数据密集型计算等高新技术的发展，产品出口到欧洲和美国、日本、韩国、巴西等国，提升了我国的影响力。应用BEPC和BEPCⅡ发展的加速器和探测器技术，催生了一系列高技术产业，如医用加速器、辐照加速器、工业CT、正电子发射断层成像和低温超导除铁器与核磁共振成像的超导磁体等，推进了高新技术的产业化，产生了显著的经济效益。北京正负电子对撞机向社会开放，建成以来接待数百批、几万人次参观，成为向社会乃至世界宣传中国改革开放的窗口。
▲BSRF及其光束线和实验站
我国的高能物理事业伴随着改革开放走过了40年艰难曲折和令人欣喜的历程。BEPC及其重大改造的成功，使我国在国际高能物理研究中占有了一席之地，并在τ-粲物理领域居于领先地位。北京正负电子对撞机作为国际科技合作的开端、大科学工程的典范，拉开了中国进军世界高科技领域的序幕。中国科学院高能物理研究所提出建造环形正负电子对撞机的构想，将以前所未有的规模和精度来研究希格斯粒子的性质。这些重大科技基础设施成为高新技术产业的摇篮，在此产生的基础研究成果，将在很大程度上推动我国在物质结构和宇宙演化等领域的深入探索，指引着粒子物理研究的方向。
（图文/中国科学院高能物理研究所 张闯）
