从北京谱仪到未来CEPC上的高能实验

1989年4月,北京谱仪探测器（BEijing Spectrometer,BES）忠实地记录了北京正负电子对撞机（Beijing Electron Positron Collider,BEPC）的历史性的第一个物理事例,宣告中国高能加速器物理实验的肇端。转眼之间已经整整30年。这30年,中国的经济发展实现了腾飞,同时是科学技术飞速发展的30年,尤其是基础科学取得了长足进步,一些领域已经跻身国际先进行列,一些领域与国际先进水平的差距已大大缩小。     

从BEPC到CEPC

1988年10月16日,北京正负电子对撞机（Beijing Electron Positron Collider,BEPC）首次实现了正负电子对撞,宣告建成。至今,已经整整30年。这30年,是我国科学技术飞速发展的30年,特别是基础科学有了长足进步,一些领域已经跻身国际先进行列,一些领域与国际先进水平的差距已大大缩小。以BEPC建设为起点,高能加速器、高能物理领域这30年走过的道路,正是我国科学技术30年发展历程的一个缩影。     

北京谱仪III实验上的粲介子物理

当前,描述自然界物质微观基本结构的最成功、最基本的理论是粒子物理的标准模型。该模型认为：自然界中的物质由三代夸克和三代轻子构成,四种基本相互作用中的电磁作用和弱作用能够用电弱统一理论描述,而强作用能够用量子色动力学理论描述。尽管标准模型在描述基本粒子及其相互作用方面取得了巨大成功,但在解释暗物质、暗能量和质量起源,以及强相互作用的非微扰性质理论描述等方面仍存在诸多问题。系统地研究各类强子衰变,精确检验标准模型、寻找超出标准模型的新物理是围绕上述问题开展的前沿课题。以下简要介绍基于我国大科学实验装置北京正负电子对撞机II上的北京谱仪III实验上的粲介子物理研究。     

北京谱仪实验30年

粒子物理的标准模型被认为是当前描述微观亚原子体系最成功的理论,它包括描述电弱相互作用的电弱统一理论和描述强相互作用的量子色动力学（QCD）两大部分。电弱统一理论虽然有些参数的测量精度尚需提高,但可靠性已经被大量精确的实验测量所验证;但QCD部分,尽管在高能量大动量转移下的计算已为实验事实所证实,但它在低能区因为微扰论不再适用而丧失了预言能力。     

北京谱仪实验物理成果

当前描述物质微观基本结构最成功的理论是粒子物理的标准模型,包括描述强作用力的量子色动力学,描述弱相互作用和电磁作用力的电弱理论。在量子色动力学方面,人们对夸克禁闭问题和低能非微扰性质还不能完全理解;在电弱理论方面,需要实验上提供更加精确的参数约束和检验。北京正负电子对撞机和北京谱仪实验是我国最早的大科学装置,也是目前国际上唯一运行在陶粲能量区域的高亮度实验装置,致力于在强子物理、量子色动力学的非微扰性质、电弱理论检验和寻找超标准模型的新物理等方面开展研究。文章将介绍北京谱仪多年来在实验上取得的科学成果,包括陶轻子质量精确测量、R值测量、奇特强子态研究和粲强子弱衰变测量等。     

北京谱仪上的R值测量

 北京正负电子对撞机（BEPC）/北京谱仪（BES）是我国第一个也是到目前为止唯一的基于加速器的高能物理实验装置。BEPC/BES始建于1984年，至1988年建成并实现正负电子对撞， 1989年开始正式实验运行，视为第一代（BEPCI/BESI）。经过1993年至1997年的升级改造，加速器仍视为第一代，谱仪则称为第二代（BES Ⅱ），于1998年恢复运行。     

北京谱仪上的R值测量

北京正负电子对撞机（BEPC）/北京谱仪（BES）是我国第一个也是到目前为止唯一的基于加速器的高能物理实验装置。BEPC/BES始建于1984年,至1988年建成并实现正负电子对撞, 1989年开始正式实验运行,视为第一代（BEPCI/BESI）。经过1993年至1997年的升级改造,加速器仍视为第一代,谱仪则称为第二代（BES Ⅱ）,于1998年恢复运行。     

北京谱仪实验30年物理成果

<正>自1989年北京谱仪运行30年来,我国陶粲能区物理实验研究从蹒跚起步到今天已经国际领先。北京谱仪实验在陶物理、粲物理、强子物理等方面取得了丰硕的成果,做出了包括陶质量精确测量(上左)、     

缪轻子反常磁矩和北京谱仪实验

最新的缪子反常磁矩实验测量结果与标准模型理论预言偏离4.2σ,提供了新物理存在的重要证据。然而要确认新物理的存在,实验和理论还需要进一步提高精度。运行在量子色动力学微扰与非微扰过渡能区的北京谱仪实验能够约束缪子反常磁矩理论计算中最重要的误差来源——强相互作用的修正。文章介绍了缪子反常磁矩的实验与理论现状,特别是北京谱仪实验上相关的研究成果,并展望了未来缪子反常磁矩的实验测量与理论计算。     

CEPC上的物理和探测器

经过近半个世纪的寻找,2012年,物理学家在欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）上发现了希格斯玻色子（Higgs Boson）,补全了粒子物理标准模型粒子谱的最后一块拼图（图1）。粒子物理标准模型是人类迄今为止构建的最为成功的物理模型之一,它以简洁优美的数学形式和令人惊叹的精确水平预言和诠释了几乎所有在对撞机实验中观测到的现象①（图2）。自20世纪后半叶起,粒子物理发展的主旋律就是标准模型的建立和验证;希格斯玻色子的发现无疑把标准模型的成功推向了高潮。     

北京谱仪上的J/ψ物理

利用BES上取得的9.0×10⁶ J/ψ数据,进行了系统的J/物理分析.证实了ξ(2230)的存在,并首次发现ξ(2230)的非奇异衰变模式.测量了f₀(980)、f₂(1270)的共振参数和极化.对J/ψ→K⁺K^－过程短分析的结果表明f_J(1710)是含有0⁺⁺和2⁺⁺两个态的宽结构.采用分波法测定了η(1440)、f₀(1500)的自旋宇称,得到它们的主要衰变模式.     

τ轻子质量测量实验——北京谱仪上的第一项成果

在介绍τ轻子质量测量实验之前,先介绍一下北京谱仪。     

北京谱仪上宇宙线μ样本的选择

通过对北京谱仪(BES)所记录到的宇宙线事例的挑选和校正重建,得到了BES上数量很大、动量分布宽广的高纯度的μ样本.所得样本已经用于Ds物理研究.     

从粲偶素到类粲偶素——北京谱仪实验物质结构研究的魅力之旅

1991年9月1日,哈利·波特从伦敦乘坐霍格沃茨特快进入了他的魔法世界; 9月2日,我辗转来到济南乘坐开往北京的列车,在位于北京西郊的中国科学院高能物理研究所,开始了我在粒子物理王国的探秘之旅。     

北京谱仪μ管组合模型在线实验

本文给出了北京谱仪μ子鉴别器八管组合单元和电子学系统在线联调的实验结果.主要指标为:计数率坪长约250V,电荷分配标准偏差<3cm,气体放大特性和电荷分配比的线性良好,电子学系统台阶漂移为±1道.     

北京谱仪μ管组合模型在线实验

本文给出了北京谱仪μ子鉴别器八管组合单元和电子学系统在线联调的实验结果.主要指标为:计数率坪长约250V,电荷分配标准偏差<3cm,气体放大特性和电荷分配比的线性良好,电子学系统台阶漂移为±1道.     

北京谱仪BESIII上的τ轻子与量子色动力学实验研究

BEPCII/BESIII自投入运行以来,取得了一系列成果,截至2023年5月已发表学术论文500篇。BESIII物理研究分为五个方面,本文介绍其中的τ轻子及量子色动力学实验研究(τ-QCD),主要内容包括tau轻子相关物理研究、低能非微扰能区强相互作用性质研究、强子产生截面精确测量、强子内部结构探索、低能区新强子态寻找等。     

北京谱仪III上轻介子衰变研究

轻介子是指由轻夸克组成的强子,它们在粒子物理学的发展中扮演着重要角色。自20世纪30年代发现π介子之后,随着探测技术的不断进步,实验上陆续发现不同种类的轻介子,同时对轻介子的研究也不断深化。尤其是在20世纪70年代,利用高能粒子加速器和粒子探测器,实验上对轻介子(特别是针对π介子和K介子)的衰变模式、产生机制以及与其他粒子的相互作用进行了深入研究,并在实验研究和理论探索中取得许多重要的成果。特别是K介子中CP破坏效应的发现、奇异自由度的引入和带电π的弱衰变研究等,不仅深化了对物质的微观结构和相互作用的认识,还推动了夸克模型及标准模型的建立。特别是夸克模型诞生,使得我们对强子的内部结构有了深入的认识,认为轻介子是由一个轻夸克和一个反轻夸克组成的束缚态,并且根据SU (3)群的对称性,比较自然地把轻介子归类到不同的家族。如图1所示,π介子和K介子就属于基态赝标量介子成员。