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綜述及基本情況
中國科學院高能物理研究所于 1973 年在原子能研究所一部的基礎上建立,是我國高能物理研究、先進加速器物理與技術研究、先進射線技術及射線應用研究的綜合性研究所。
在黨中央和鄧小平同志的親切關懷下北京正負電子對撞機工程于 1988 年 10 月建成。該工程主要包括正負電子對撞機(BEPC)、北京譜儀(BES)和同步輻射裝置(BSRF)。1991 年,國家計委正式批準成立北京正負電子對撞機國家實驗室。BEPC 參展自 1989 年運行以來,北京譜儀取得了一批在國際高能物理界有影響的重要研究成果,如:τ 輕子質量的精確測量、20—50 億電子伏特能區正負電子對撞強子反應截面(R 值)的精確測量、發現 X(1835)新粒子等,引起了國內外高能物理界的廣泛關注。
2003 年底,國家批準了北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCII),這是我廣告設計國重大科學工程中最具挑戰性和創新性的項目之一,工程于 2004 年初動工,2008 年 7 月完成建設任務,2009 年 7 月通過國家品牌活動驗收。BEPCII 的建成得到了國際高能物理界的高度評價,是我國大科學工程建設的一個成功范例,也是中國高能物理發展的又一個重大的里程碑。
BEPCII 是一臺運行在陶粲物理能區國際領先的對撞機和高性能同步輻射裝置,主要開展強子物理和粲物理研究,預期在多夸克態、膠球、混雜態等奇特強子態的尋找和特性研究上有所突破,保持我國在陶粲能區物理實驗研究的國際領先地位;同時又可作為同步輻射光源提供真空紫外至硬X光,開展凝聚態物理、材料科學、生物和醫學、環境科學、地礦資源以及微細加工技術方面等交叉學科領域的應用研究,達到“一機兩用”。
研究進展與成果
北京正負電子對撞機建成
1984 年 9 月,國務院批準了原國家計委“關于審批北京正負電子對撞機(即 8312 工程)建設任務和規模的報告”(國家計委科〔1984〕1899 號),明記者會確了一機二用”包裝盒的方針,增加了同步輻射實驗區的建設。1984 年 10 月 7 日,BEPC 破土動工。鄧小平同志與其他黨和國家領導人來到中國科學院高能物理研究所參加奠基典禮,為奠基石鏟了第一锨土,并親切接見了參加工程建設的科技人員和職工代表。鄧小平同志題寫了“中國科學院高能物理研究所北京正負電子經典大圖對撞機國家實驗室”的題詞。1990 年 7 月 21 日,北京正負電子對撞機通過國家驗收,同年獲得國家科技進步獎特等獎。
北京正負電子對撞機重大改造工程
北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCII)包括注入器改造、新建雙儲存環對撞機、新建北京譜儀 BESⅢ和通用設施改造等,在粒子加速器和探測器與電子學等的優化設計、關鍵技術、系統集成和工程管理方面實現了重大創新,得VR虛擬實境到了國際高能物理界場地佈置的高度評價,是我國高能物理發展的一個重大的里程碑。2009 年 5 月, BEPCII沈浸式體驗 主要性能——對撞亮度達到了 3.2×1032cm-2s-1,超過了大型公仔驗收指標,比改造前提高 30 多倍;201道具製作6 年 4 月,在 1.89 GeV 能量下峰值亮度達到設計指標 1×1033cm-2s-1,為改造前的 100 倍,成場地佈置為粲能區(質心系能量FRP 3—5 GeV)世界上亮度最高的正負電子對撞機玖陽視覺。BEPCII 建成后實現了穩定、高效運行,成為居國際領先地位的高能物理實驗裝置以及高性能的同步輻射裝置,取得以“首次發現帶電類粲偶素 Zc(3900)”為代表的具有世界領先水平的一系列重大成果,大圖輸出為保持和發展我國在粲物理研究的國際領先地位奠定了基礎。北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCII)獲包裝盒 2016 年度國家科技進步獎一等獎。
發現“四夸克物質”Zc (3900) 和 Zc (4020)
BESIII 在 2013 年采集的數據中發現一個新的共振結構平面設計,命名為 Zc(3900)。它含有 1 對粲夸克和反粲夸克且帶有電荷,提示其中至少含展覽策劃有 4 個夸克,可能是科學家長期尋找的一種奇特態粒子。
論文被 Physical Review Letters 編輯推薦,并配發題為“新粒子暗示存在四夸克物質”的評論;Nature 雜志發表題為“夸克‘四重奏’打開物質世界新大門”的報道。在美國 Physics 雜志公布玖陽視覺的 2013 年物理學領域 11 項重要成果中,“發現四夸克物質”位列榜首。大圖輸出該成果入選科技部主辦、多家學術期刊協辦的 2013 年度“中國科學十大進展”和中國科學院“十二五”25 項重大科技成果及標志性進展。隨后,經典大圖北京譜儀實驗確定了其同位旋、自旋、宇稱等量子數,發現了該粒子的其他多種衰變模式,并發現了其高質量伴隨態 Zc(4020)。
發現 X (1835) 和 pp_ 質量閾值結構的聯系
基于當時世界上最大的 5 800 萬 J/ψy事例樣本,BESII 于2005 年發現了新粒子 X(1835)。20活動佈置16 年,BESIII 在利用高統計量 J/ψy數據對 X(1835) 譜形的精細研究中,在 η’ π+π− 不變質量譜質子-反質子質量閾值附近發現了顯著的反常結構,建立了 X(1835) 和 pp_ 質量閾值結構的聯系。X(1835) 譜形的反常結構可以用一個質量在 1.85 GeV 并且與 pp_ 有很強耦合的寬共振態描述,也可以用接近 pp_ 質量閾值的一個相干的窄共振態描述,為質子-反質子分子態或者質子-反質子束縛態的存在提供了重要的實驗證據。
粲粒子弱衰變精確開幕活動測量
BESIII在 ψ (3770) 和 ψ展場設計 (4160) 峰上采集了世界上最大的近閾粲介子樣本,精確測定了D 和 Ds 介子的衰變常數、半輕子衰變形狀因子、夸克混合矩陣元 參展|Vcd| 和 |Vcs| 等。這些結果為檢驗夸克混合矩陣的幺正性、檢驗和刻度格點量子色動力學的計算、檢驗弱衰變中的輕子普適性提供了重要數據。2014 年,首次在粲重子對閾值上獲取了世界上最大的近閾粲重子LΛc 衰變樣本,首次測定了多個強子衰變和半輕子衰變的絕對分支比。CERN Courier 對此刊文報道:BESIII 首次使用近閾數據開展了粲重子LΛc 衰變的直接測量。
發現超子極化并應用于尋找物質反物質不對稱性來源
2019 年 5 月,Nature Physics 雜志發表 BESIII 實驗發現正負電子對撞中蘭布達超子存在橫向極化,以及利用這個發現對蘭布達超子衰變非對稱參道具製作數和對物質、反物質不對稱性來源的高靈敏度探測結果。
利用 13 億 J/ψ 事例,選出了純度高、質量好的 42 萬事例,通過對自旋量子糾纏的蘭布達超子角分布的分析,發現由此產生的蘭布玖陽視覺達超子存在高達 25% 的橫向極化。這種效應使得首次在實驗上同時以 1.3% 的高精度測量正反蘭布達超子衰變的非對包裝盒稱參數,并使得通過重子探測宇宙中物質、反物質奇藝果影像不對稱性(CP 破壞)來源的靈敏度達到 3%,為目前世界最高靈敏度。
BESIII 的VR虛擬實境測量結果意味著過去 活動佈置40 多年被廣泛使用的蘭布達超子的非對稱參數被低估了 1模型7%。新的測量將糾正這一歷史錯誤,并更新《粒子數據表》中眾多其他超子和粲重子非對稱參數。BESIII 實驗觀測到的超子橫向極化,成為新的實驗手段,拓展了正負電子對撞中對超子極化物理和重子衰變中 CP 破壞的研究。(中國科學院院刊供稿)
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