北京西郊，有個大家伙 ！（上）

導語

中科院高能物理所科研人員在安裝完成的北京譜儀端面簽名留念

圖片來源：中國科學院高能物理研究所網站

2007年11月，在北京長安街以西的地下隧道內，北京譜儀Ⅲ（BESⅢ）安裝工作圓滿收官。按照大型探測裝置落成的傳統，科研人員紛紛在探測器外層端蓋板上簽下名字。一枚枚簽名，是參與國家重大科技工程的印記，更是屬于整個團隊的榮耀見證。

一個個名字凝聚起當下的喜悅，也讓我們回望初心。早在多年以前，第一代北京譜儀的誕生，就已開啟了這段逐夢粒子物理的征程。

北京西郊，有個大家伙

1988年深秋，北京西郊玉泉路附近，一臺重500多噸的大家伙——第一代北京譜儀（BESⅠ），正式安裝到剛剛建成的北京正負電子對撞機上。當年10月24日，對撞機順利竣工并實現首次正負電子對撞。這臺機器有個名字——北京譜儀，代號BES-I。它是中國人自己造的第一臺大型粒子物理探測器。

北京正負電子對撞機（BEPC）的總體簡圖。北京正負電子對撞機（BEPC）由注入器、輸運線、儲存環、北京譜儀（BES）和同步輻射裝置（BSRF）幾部分組成。

圖片來源：中國科學院高能物理研究所網站

在它出現之前，中國的高能物理學家們過的是另一種日子。他們坐在國外的實驗室里，看別人的數據，用別人的設備，在別人主導的文章上掛個名字。科研上處處受制于人：沒有自己的加速器，就沒有自己的數據。沒有自己的數據，就什么都做不了。你能發什么文章、能研究什么問題、能在國際上說什么話，全都取決于別人給不給你數據。

這件事，急不得，但也等不得。

【補充閱讀】

要理解BES-I，得先搞明白：高能物理是什么？

你有沒有想過，這個世界最小的東西是什么？不是原子，不是電子，是比它們還小億萬倍的夸克。我們日常接觸的一切——桌子、椅子、空氣、水，拆到最后都是原子。原子再拆，是原子核和電子。原子核再拆，是質子和中子。質子和中子再拆，就是夸克。

高能物理通過加速粒子并實現高能對撞，探索基本粒子的性質、相互作用，以及物質、能量和時空的深層規律。

LHC鉛離子對撞實驗，產生了大量新的物質

圖片來源：中國科學院高能物理研究所網站

目前人類最精確的理論叫“標準模型”，描述了61種基本粒子和三種基本力……圍繞這一理論的發現，已斬獲十余項諾貝爾獎，可以說是人類文明目前最漂亮的科學理論之一。歐洲的大型強子對撞機，質心能量13.6TeV，相當于把1萬億伏電壓加在1米距離上，讓一個電子走過去所獲得的能量。就是在這種極端條件下，標準模型預言的粒子才會一個一個被"撞"出來。

而這些諾獎成果，當時都與中國無關。一個文明在最深層認識自然的能力，決定了它在整個科技版圖上的位置。標準模型預言了61種基本粒子，其中絕大多數已被實驗證實，實驗是檢驗理論、發現新粒子的關鍵。而做實驗，需要加速器，需要探測器，需要數據。

二十世紀七十年代那批科學家想明白了這件事：再不動手，就徹底被擋在門外了。不是少發幾篇論文的事，是在人類認知最深層的那張桌子上，連座位都沒有。

1984年，中國決定建設自己的正負電子對撞機和探測器。當時有一個很現實的考量：建設對撞機所需的計算機等設備，不在國際禁運清單上。這是一個難得的窗口期。借基礎科研打開局面，爭取在國際學術舞臺上的話語權，也是當時的一個重要考量。

說是決定，做起來遠比想象中難。

BEPC的建設從1984年動工，中間經歷了無數次方案調整、技術攻關和經費拉鋸。探測器的設計更是從零開始——當時中國連一臺像樣的大型粒子探測器都沒造過，很多關鍵技術要從頭摸索。磁鐵怎么繞，探測器怎么排布，電子學系統怎么搭，全是一片空白。

但就是這幫人，一點一點把它啃下來了。1988年10月，BES-I建成。1989年春天，它正式開始取數。

1989年6月22日，北京譜儀首次測量到J/ψ共振峰.

圖片來源：中國科學院高能物理研究所網站

BES-I到底長什么樣？

它像一個巨大的洋蔥，一層套一層，每一層都有自己的任務。最里面是頂點室和主漂移室。帶電粒子飛過的時候，會在這些探測器上留下痕跡，物理學家根據痕跡算出粒子的軌跡，再算出動量。往外一層是飛行時間計數器，測粒子飛了多久。飛得快的和飛得慢的，往往是不同的粒子，所以這個數據能幫物理學家判斷粒子的種類。再往外是簇射計數器，專門測能量——粒子撞進來，能量被吸收，轉化成電信號，物理學家就知道這個粒子帶了多少能量。最外面是μ子鑒別器，專門抓那些穿透力極強的μ子。別的層都擋不住它，只有這一層能抓住它。

整個譜儀被一個螺旋線磁鐵包住，提供磁場。帶電粒子在磁場里會拐彎，往左拐的和往右拐的，就能分出正電荷和負電荷。亮度監測器則在一旁盯著對撞機的碰撞頻率，確保數據質量。

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為什么選在τ-粲能區運行？

這個能量范圍有一堆重要的物理問題等著回答：τ輕子的性質、粲強子的能譜、R值的精確測量——這些都是當時國際上最前沿的課題。歐洲和美國的實驗在別的能區做得很好，但τ-粲能區恰好是一個空白。中國人選這個位置，等于選了一條別人沒走的路。

北京譜儀的整個裝置長約6米，高和寬各7米，重500多噸。1990年，它拿了國家科技進步特等獎。

其工作原理說起來也不復雜：正負電子在中心對撞，炸出一堆新粒子。這些粒子向四面八方飛出去，穿過一層又一層探測器。BES-I把它們的軌跡、能量、種類全部記下來。物理學家再從這些數據里找規律，看看有沒有新粒子，看看已知粒子的性質是不是跟理論預言一致。

你可以把它理解成一臺超級“相機”，只不過它拍的不是風景，是比原子還小億萬倍的基本粒子。

運行初期四年里，BES-I便積累了上億次對撞數據。誰也沒想到，這些數據后來會改變世界粒子物理的幾張重要圖表。

未完待續

初代譜儀圓滿完成了開荒拓土的使命，但探索微觀粒子的征途從未停歇。隨著設備逐步老化，科研團隊開啟了新一輪技術攻堅，北京譜儀二代、三代相繼登場，持續刷新我國高能物理的科研高度。

下篇，我們繼續跟隨譜儀迭代的腳步，見證中國高能物理從站穩腳跟，到領跑國際前沿的逐夢之路。

參考文獻

《中國科學報》2019-09-09第1版

《中國大百科全書》第三版網絡版

中國科學院高能物理研究所網站

中國核技術網

圖片來源

《科技文物里的中國》

組編：中國科學家博物館組編

出版單位：中國科學技術出版社

出版時間：2026年2月

微信號丨大美科學