从北京谱仪到未来CEPC上的高能实验.pdf

北京谱仪实验 30 年专题 从北京谱仪到未来CEPC 上的高能实验 李 刚 阮曼奇 (中国科学院高能物理研究所 100049) 1989 年 4 月 ，北 京 谱 仪 探 测 器 (BEijing Spec- 寻找新的物理规律和物理现象。 trometer, BES)忠实地记录了北京正负电子对撞机 今天，回顾历史，展望未来，对于中国高能加速 (Beijing Electron Positron Collider，BEPC)的历史性 器物理研究的发展战略，有着弥足珍贵的借鉴意 的第一个物理事例，宣告中国高能加速器物理实验 义。本文的第一部分回顾了北京谱仪实验的历史， 的肇端。转眼之间已经整整 30 年。这 30 年，中国 主要介绍 BESIII 探测器的设计、建造和物理研究； 的经济发展实现了腾飞，同时是科学技术飞速发展 第二部分则主要介绍 CEPC 上高能实验的特点和探 的 30 年，尤其是基础科学取得了长足进步，一些领 测器设计、预研究的考虑和进展。 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。以北京谱仪的建设为起点， 高能物理实验领域这 30 多年走过的道路，正是我国 科学技术发展历程的一个缩影。 一、BESIII 探测器的设计、建造、运 行和物理研究 北京谱仪实验的研究范围覆盖了 2.0~4.6 GeV 在中国政府的支持下，中国本土的高能物理实 能区范围内丰富物理内容，主要有轻子的产生和衰 验研究实现了飞跃发展，从无到有，在国际高能物 变，轻强子谱研究，粲偶素的跃迁和衰变研究，粲介 理界从“占有一席之地”发展为τ-粲物理的领跑者， 子 的 弱 衰 变 研 究 ，量 子 色 动 力 学 (QCD) 研 究 和 4 不仅占据该能区的国际领先地位，还开拓了中微子 GeV 以上伴随大量能量阈而来的丰富物理结构的 研究领域并取得举世瞩目的成果，同时在宇宙线实 研究。 验、暗物质探测、X 射线天体物理研究等方面取得 大型加速器上的探测器就好像人的眼睛，是用 长足进步；相应发展起来的加速器、探测器技术及 各种粒子探测器的组合，来观察和测量粒子对撞后 人才队伍大力推动了同步辐射光源、散裂中子源等 产生的次级粒子的能量、动量、质量、位置、出射角 大型多学科交叉研究平台建设的迅速发展，并成为 等各种参数，以重建反应过程，研究基本的物理规 国家科技创新体系的重要单元。 律。针对上述的物理研究目标和该能区的末态粒 2012 年位于欧洲核子中心(CERN)的 ATLAS 子数比较少的特征，正在运行的 BESIII 的探测器的 和 CMS 同时宣布发现了希格斯玻色子，中国高能 设计和建造进行了专门的优化和设计，主要包括带 物理学家在第一时间提出了建造一个质心系能量 电粒子动量测量、电子和光子的能量测量以及粒子 达到 240 GeV 的高能环形正负电子对撞机(CEPC) 种类鉴别。综合以上，BESIII 探测器的设计包含以 作为希格斯工厂对这一新发现的充满神秘的粒子 下部分： 进行系统、精确的研究，检验粒子物理标准模型和 1. 动量测量。BESIII 采用单丝分辨好于 130 微 43 现代物理知识 米的小单元氦基气体漂移室作为径迹探测器。这 的可靠性，BESIII 预研团队做了大量的预研工作， 一选择既考虑到低动量情况下物质量少从而减少 解除了大家对 RPC 寿命等方面的担心。 多次散射对测量的影响，可以照顾到可以有比较好 5. 场强为 1.0 Tesla 的超导螺线管磁铁。BESI 的位置和能损(dE/dx)分辨率。至于其他选项，比如 和 BESII 都 采 用 了 常 规 磁 铁 技 术 ，其 磁 场 只 有 半导体探测器价格高、物质量多，多次散射会降低 0.4Tesla。BESIII 为了实现更高的动量测量精度，采 低动量径迹的分辨率，时间投影室的分辨比较差， 用了磁场更强的超导磁铁。并自行攻关和研制了 时间扩展室和稻草管探测器则多次散射过高，都不 我国第一台大型超导磁铁线圈，掌握了其中的关键 是合适的选择。 技术，并大大降低了成本。 2. 能量测量。基于掺铊碘化铯晶体(CsI(Tl))的 6. 基于流水线技术的前端电子学系统以适应 量能器可以实现光子能量分辨率在 1 GeV 时好于 多束团模式和高数据率的获取系统。由于每次碰 2.5%，考虑到 BESIII 能区的事例率和能区、性能、价 撞时间间隔只有 8 ns，目前没有任何技术可以在这 格等因素， 这是最佳选择。 么短的时间内完成触发判选任务，因此 BESIII 采 3. 飞行时间和 dE/dx 测量。BESIII 选择由塑料 闪烁探测器构成的飞行时间系统测到的粒子飞行 用了流水线的办法，将对撞事例的信息缓存在缓冲 器(buffer)中，以便随后处理。 时间和漂移室提供的 dE/dx 测量联合起来作为粒子 前两代探测器谱仪、BESI 和 BESII 是我国高能 鉴别系统，成功实现了动量小于 1.1 GeV 的π介子和 物理学家借鉴国外经验从无到有的建造自己的高 K 介子之间的鉴别。从性能上来说，切伦科夫探测 能探测器并成功升级的历史过程，BESIII 探测器则 器更加理想，但环形切伦科夫探测器造价过高，阈 是中国自己独立设计和建造的。一个高能实验探 值型切伦科夫探测器对于晶体量能器的影响过大， 测器的完整的设计、建造和运行过程对于掌握核心 其他类型的也有各种缺点，不一而足。多层阻性板 技术、积累宝贵经验和培养核心人才对于起了关键 探测器(MRPC)作为飞行时间计数器当时尚不够成 作用。 熟，需要更多的时间来预研；后来 BESIII 运行数年 整个 BESIII 探测器总重超过 700 吨，共有两 之后，于 2015 年，端盖的 TOF 被升级为 MRPC，时间 万多个探测器单元，近四万路读出电子学。这是我 分辨从 110 ps 提高到了 70 ps。 国高能物理学界约两百多科研人员，以及部分国外 4. 阻性板探测器(RPC)。μ子的鉴别对于τ-粲 的 BESIII 合作组成员，经历 8 年多的持续努力，在 物理研究非常重要，BESIII 采用了阻性板探测器技 国内近百家企业与科研单位的协作帮助下共同完 术，与其他技术相比，其具有明显的性价比优势，且 成的，在多个方面代表了我国科研和工业制造的最 应用范围广，具有良好的发展前景。为了证明 RPC 高水平。 表 1 BESIII 探测器设计指标和 BESII 以及同期国外实验 CLEO_c 的对比 BESII CLEO_c σxy =130 μm BESIII σxy = 250 μm σxy = 100 μm dP/P = 0.5%@1 GeV σdE/dx = 6% σE/E=2.5%@1 GeV 2.4%@1 GeV σdE/dx = 8.5% 20%@1 GeV 0.5%@1 GeV σdE/dx = 6% 2.5%@1 GeV σxy = 0.6 cm@1 GeV 3cm@1 GeV σT = 100 ps(桶部) σT = 110 ps(端盖) 9层 σT = 180 ps(桶部) σT = 350 ps(端盖) 3层 RICH 1.0T 0.4T 1.0T 子系统 主漂移室 电磁量能器 飞行时间计数器 μ子计数器 磁铁 44 — 北京谱仪实验 30 年专题 BEPCII 于 2008 年实现对撞，全新的 BESIII 探 1. 末态粒子数的增加及其能量的提高 测器放入 BEPCII 南对撞点，在完成 BEPCII 和 BE- BES 上一个典型的物理事例往往包括了数条 SIII 联调后，并于次年正式开始物理取数。到目前 径迹和数个光子。在 CEPC 上，随着质心的提高，末 已经积累了 100 亿 J/ψ数据用于轻强子谱研究，4.5 态粒子数目及能量都有了显著提高。相对于 BES 亿 ψ(3686) 数 据 用 于 粲 偶 素 衰 变 研 究 ，2.93fb- 1ψ 实验，CEPC 上一个典型事例的末态粒子数目提高 (3773)数据用于粲介子研究，以及在 2.0~4.6 GeV 能 了一个量级。与此同时，在 CEPC 上存在着大量的 区范围超过 20 fb- 1 扫描数据用于 R&QCD 研究、τ 高能末态粒子：其最高能量趋近于束流能量。这意 轻子质量测量和 XYZ 粒子研究。这些数据是当前 味这 CEPC 探测器的能量量程需要大幅提升。 世界上该能区统计量最高的优质数据，可以开展丰 2. 喷注的大量存在 富的物理课题研究。BESIII 实验国际合作组目前 由于自然界中存在色禁闭，夸克和胶子无法单 也成长为由 67 个国内外合作研究单位、超过 500 多 独稳定存在。在对撞机实验中产生的高能夸克或 科学家的研究团体。BESIII 合作组也取得众多重 者胶子会碎裂(强子化)成大量强子，这些强子及其 大研究成果，比如 Zc(3900)，Zc(4025)的发现和深入 可能的衰变末态的总体被称为喷注。在 CEPC 上， 研究，∧c 粲重子的一系列研究成果，J/ψ衰变中的∧ 2-费米子末态有 70%的事例会产生喷注，4-费米子 极化测量等等。每年 BESIII 发表的文章约 30 篇以 末态则有约 90%的事例中会产生喷注；而末态产生 上，同时每年还有约 70 个国际会议的特邀报告，并 喷注的 Higgs 事例比例则高达 97%。无疑，喷注的 且随时间呈上升趋势。 精确测量和重建对 CEPC 的物理测量至关重要；是 二、CEPC 基线探测器(CBD)设计 Higgs 场是标准模型的核心，它和目前标准模 型中一系列关键问题和未解之谜息息相关。这些 问题包括了自然性问题(为何电弱能标远远小于 CEPC 探测器的核心要求之一。 CEPC 上一个典型喷注大致包括了十几个带电 粒子(绝大部分是带电π介子)、十几个光子，以及可 能产生中性强子和中微子(体现为丢失能动量)。图 1 显示了 CEPC 上一个代表性的 4-喷注 Higgs 事例。 Planck 能标)，CP 破坏，中微子质量，暗物质和暗能 量等等。Higgs 粒子的发现为研究这些问题提供了 全新、直接的手段；在这样的时代背景下，中国高能 物理学界倡议建设一个高精度的 Higgs 工厂—— CEPC。 较于 BEPC，CEPC 在实验条件方面：其对撞质 心能量提高了约两个量级、对撞亮度在不同质心能 量提高 30 到 300 倍不等；在物理研究方面，CEPC 主 要关注 Higgs 的精确测量和新物理寻找，同时可以 兼顾标准模型的精确检验和 BES 实验的延续—— 丰富的味物理研究课题。对于探测器而言，这意味 着物理事例重建和探测器性能需求也会发生显著 变化。其中，除了事例率显著提高外，最关键、最明 显的变化有两个： 图 1 e+e-→ZH→qqbb 事例 45 现代物理知识 为了满足 CEPC 的物理需求，CEPC 工作组参 量 重 建 精 度 相 对 于 LEP 和 LHC 实 验 提 高 了 3~5 考国际前沿研究进展、设计了 CEPC 基线探测器 倍。CBD 可以准确重建所有的物理标的物和标准 (CBD)。对比于 BESIII 探测器，CEPC 概念探测器 模 型 Higgs 粒 子 信 号 。 CBD 的 性 能 分 析 表 明 ， 要大得多：其总重量相当于 BESIII 探测器的 10 倍 CEPC 工作组有能力根据 CEPC 的对撞环境、设计 以上。与此同时，其子探测器精确度、接受度等关 出可满足 CEPC 物理需求的探测器。同时，CBD 的 键指标， 也得到了显著提升。 研究，为 CEPC 上物理潜力的具体分析提供了坚实 为了能准确测量高能带电粒子的四动量；CBD 的基础。 装备了大体积、高精度、低物质量的径迹系统。为 CBD 的技术挑战及其关键技术研究 了能准确测量高能粒子、特别是高能中性强子(如 围绕 CEPC 可能采用的探测器技术，CEPC 工 中子和 Klong)的能量，CBD 的量能器系统的总厚度超 作组进行了大量的关键技术预研，取得了一系列 过 1 米。同时，CEPC 概念探测器装备了大体积、高 进展。 强 度 的 主 螺 线 管 磁 体 。 相 对 于 BESIII 探 测 器 ， 1. 硅像素顶点探测器。CEPC 上为了重建 τ 轻 CEPC 概念探测器磁体的有效体积提高了一个量 子和鉴别 b-喷注、c-喷注和其他类型的喷注，对顶 级，磁场强度提高了 3 倍，储存的磁场能量提高了两 点探测器的 impact parameter 测量精度提出了超高 个量级。 的要求——好于 5 微米；同时精确测量带电粒子则 理想的物理事例重建需要准确识别、并重建出 要求探测器带来的物质尽可能少，从而减少多次散 物理事例中所有的末态粒子。这一物理需求在 BE- 射的影响。能满足如此高的精度的技术只有采用 SIII 和 CBD 中是高度一致的；但是由于末态粒子数 硅像素探测器技术，而物质量的要求则要求探测器 目的不同，这一需求在两个实验上实现的方式是不 灵敏层、读出电路、冷却系统和机械支撑则尽可能 一样的。在 BESIII 上，由于末态粒子数目一般小于 的轻薄。目前中国还没有完全掌握相关技术，针对 10 个，因此所有的末态粒子间的角度一般足够大， 这 一 需 求 ，科 技 部 重 点 研 发 计 划 分 别 于 2016 和 换言之，末态粒子基本上自然地分开了；而在 CBD 2018 年支持多个研究所和高校联合起来进行攻关， 上，由于末态粒子数目的显著提升、以及大量喷注、 有望在 2023 年前制作出第一个在精度、物质量、功 特别是π0 衰变出的光子的存在，其末态粒子间的角 耗等各方面能满足 CEPC 实验需求的硅像素探测器 度可以非常小。量化分析表明，为满足 CEPC 物理 样机。 需求，CEPC 探测器需要能够分开角度在千分之五 2. 时间投影室。国内的探测器专家已经成功 弧度的两个末态粒子。为了达到这一需求，在采用 地建造了时间投影室样机，经过束流测试，掌握了 大尺度的径迹系统和较高的主螺线管磁场之外， 关键技术。而 CEPC 对于时间投影室的特殊要求则 CBD 采用了高颗粒度的量能器系统设计；这一设计 来自于高事例率——在 Z 玻色子能区的物理事例 依赖于先进的电子学芯片技术、其读出电子学道数 率能达到数十千赫兹，考虑到本底的要求，则需要 相对于 BESIII 实验提高了 3 个量级。这一设计可 探测器能承受近一百千赫兹的事例率。在这种情 以有效区分物理事例中的末态粒子。 况下，阳离子回流效应对于探测器电场的影响必须 CBD 拥有优异的物理性能，以轻子重建为例， 考虑。CEPC 已经针对这一可能在探测器设计和物 CBD 的轻子重建效率可以趋近 99.5%，同时强子误 理上做了针对性的考虑，就降低阳离子回流效应的 判率被控制在 1%水平，较之上一代的 ALEPH 实验 压低提出了若干实验方法，预期可以有效控制其影 压低了三倍；在喷注能量重建方面，CBD 的喷注能 响，满足实验的要求。 46 北京谱仪实验 30 年专题 3. 量能器系统。作为 CEPC 精确测量喷注的需 提出了三个未来高能物理研究计划：其中 CEPC 的 要，高粒度量能器系统作为一种重要选项被包含在 第一阶段就是一个能量和亮度更高的正负电子对 CBD 设计之中，其读出道数最高接近一亿。超高的 撞机，其能量范围覆盖 90~240 GeV，亮度是 BEPCII 像素给物理事例提供一种完全追踪式的测量(粒子 的 30 倍以上；Z 玻色子工厂则是一个亮度优化于 流设计概念)提供了可能，但是也带来了探测器技 91GeV 的专用正负电子对撞机；超级τ-粲工厂则是 术方面的挑战。 一个直接基于 BESIII 但是超越 BESIII 的计划。所 其他放面的技术设计预研仍在逐渐深入的开 有这些未来项目的提出，很大程度上都受益于 BE- 展当中， 未来可能还会发现或者碰到技术问题， 但还 SIII 实验积累的物理经验和全面、优秀的人才队 未发现不可克服的技术困难。上述进展表明， CEPC 伍。中国高能物理学界于 2017 年的中国物理学会 工作组已经掌握了 CBD 建造的一系列关键技术。 高能分会第九届常务委员会第四次扩大会议上就 在进一步的研发推动下，CEPC 工作组可为 CEPC 未来发展战略达成一致意见——“CEPC 是我国未 实验建造关键的探测器系统，并取得物理结果。 来高能加速器物理发展的首选项目。我国高能物 理学界应该以 CEPC 作为发展战略目标，积极争取 三、总结 北京谱仪(BES，BESII，BESIII) 这样的大型高 能物理实验，不仅仅是单纯的研究项目。从实验探 测器、电子学、在线取数系统的设计、建造，到顺利 运行，在实验中实现乃至超过探测器系统的设计指 标，再到数据分析和成果发表，再包含其中的硬件 和软件升级，这些是一个复杂的系统的工程。也即 是说，这样的大工程的成功，不仅仅体现在各种硬 性成果上，而且还体现在成功管理和协调这样一个 国际性大型科研团体的经验积累和这一合作过程 中培养和成长起来的大量、多方面的人才。 据统计，仅 BESIII 实验方面每年毕业的博士约 30 人，其中约一半进入科研院所成为博士后或者教 成为中国发起的国际大科学工程之一。……高能 物理学界将同心协力，分工合作，全力以赴，推动我 国高能物理的持续发展。” 过去 30 多年中国的高能物理和中国一样，都经 历了翻天覆地的发展和变化。基于加速器高能物 理实验经历了从无到有，从幼苗到发展壮大，并成 为国际高能物理实验领域的一个重要参与国家，是 值得自豪的。时代赋予我们这样的机会和能力，使 中国高能物理界在 BES 系列实验的基础上有能力 进一步去探索粒子物理的前沿核心，并为人类文明 作出自己的贡献。BES、II、III 系列实验的成功，包 括核心技术、管理经验和人才队伍，尤其是人才队 伍对其他高能领域，比如高能天体、地下暗物质探 测实验、反应堆中微子实验产生了深远乃至决定性 师，其中不乏在海外高校取得位置的。另一方面， 的积极影响。未来的 CEPC 实验，规模远大于 BES BESIII 还为中国的高能物理发展输送了人才：比如 实验，物理研究领域更深入、更宽广，其所必须的加 大 亚 湾 实 验 、LHC 上 的 实 验 、CEPC 和 Supper τ- 速器、探测器和数据处理方面的关键技术比 BES 涉 Charm 预研究、BELLE(BELLE-II)、锦屏深地实验和 及范围更多、更广，可以想见随着 CEPC 的成功实 天体、 宇宙线方面多个项目都有 BESIII 培养的人才。 现，不仅对中国的高能物理发展会产生巨大的推动 我国成功地建造和运行三代 BES 实验，其中 作用，其技术迁移对工业界也将自然产生广泛、深 BESIII 还是我们独立设计、建造的，它产生了一大 远的影响。 批优秀的物理成果，培养了一大批高能物理优秀人 本文作者在写作期间与娄辛丑及其他同事讨 才，这些也令中国高能物理的未来发展有了足够的 论，得到很多非常有益的启发和建议，在此一并表 底气，实现跨越式发展。近年来中国高能物理学家 示感谢。 47