|陳繕真、沈肖雁、李海波

中國科學院高能物理研究所

本文選自《物理》2025年第3期

在粒子物理學的發展歷史中，J/ψ粒子的發現是一個具有深遠影響的里程碑事件。1974年11月，丁肇中教授率領團隊在美國東海岸的布魯克海文國家實驗室發現了這一粒子，而遠在西海岸的斯坦福直線加速器中心的伯頓·里克特教授率領團隊幾乎同時也發現了這個粒子。J/ψ粒子是由一對正反粲夸克組成的，丁肇中與伯頓·里克特的發現不僅證實了粲夸克的存在，也為粒子物理學的標準模型提供了有力的支持。這一實驗發現被粒子物理學家稱為“十一月革命”，極大地推動了對基本粒子及其相互作用的研究。它不僅鞏固了夸克模型，還激發了對量子色動力學(QCD)的深入研究，為理解強相互作用的本質提供了新的視角，同時，也開啟了對粲強子的實驗研究。

在這一背景下，中國于1984年開始建設運行于陶輕子和粲強子能區的北京正負電子對撞機(BEPC)，并于1988年建成BEPC及其核心探測裝置北京譜儀(BES)。BEPC/BES是我國第一臺高能物理實驗裝置，也是我國第一個大科學設施。北京譜儀實驗的科學目標是：(1)理解強相互作用的基本性質；(2)精確檢驗標準模型以及新物理的尋找。自1989年9月運行以來已經獲取了大量重要的物理成果，其中早期最具代表性的成果包括：陶輕子質量的精確測量，解決了當時三代輕子普適性破壞的“危機”，是標準模型精確檢驗中的核心測量之一，被國際粒子數據組選為50年來最有價值的測量之一。1999年經過升級改造后的第二代北京譜儀(BESⅡ)實驗，成功完成了2—5 GeV能量區間R 值的精確測量，這一測量對繆輕子反常磁矩的物理預言有重要科學意義，對當時未發現的Higgs粒子質量給出了強有力的約束。同時BESⅡ實驗第一次發現正反重子構成的強子結構，成為當時國際上的熱點發現。

BESⅢ探測器照片

2004年開始了BEPCⅡ/BESⅢ全新的升級改造，BEPCⅡ亮度升級到原來的100倍，為我國和世界高能物理領域提供了新的機遇和挑戰。自2009年運行以來，BESⅢ實驗在輕強子譜、粲偶素物理、粲強子物理、QCD、陶輕子物理等領域取得了系列重要成果，這其中包括四夸克態粒子Zc(3900)和Zc(4020)等奇特強子態粒子的發現、奇特量子態η1(1855)和膠球候選者X(2370)粒子的發現等。截至目前，在BESⅢ實驗上已發現30個新強子，BESⅢ實驗的系列發現催生了新的強子物質譜學，是理解強相互作用的里程碑。同時，BESⅢ實驗在粲強子和重子物質的產生和衰變性質的研究領域發表了系列重大成果，引起國際關注，在標準模型精確檢驗方面發揮了不可替代的重要作用。

北京譜儀實驗不但在陶輕子和粲強子能區的物理研究中發揮了關鍵作用，它的建設和發展歷程也帶動了中國高能物理研究的全方位發展。BESⅢ實驗為粒子物理研究提供了豐富的數據支持，對海量數據的處理過程也促進了相關數據處理技術的發展。人工智能、大模型技術等均在BESⅢ實驗中得到了實踐，這些技術的應用和推廣，使得當代的物理數據分析過程變得更加“智能”。

在過去的四十年中，北京譜儀實驗使中國在國際高能物理研究中占據了一席之地，也讓我們認識到，陶輕子和粲強子能區仍有大量亟待研究的課題。2024年，北京正負電子對撞機和北京譜儀實驗開始進行另一次重要的升級改造，升級后的對撞機，將覆蓋更寬的能量，并達到更高的亮度。同時，一臺全新的CGEM探測器被安裝進北京譜儀中，旨在進一步提高位置分辨能力。這些升級改造不僅是對設備的技術提升，更是對科學研究能力的全面增強。

在BESⅢ探測器上重建出的一個J/ψ粒子衰變過程的示意圖

2024年恰逢J/ψ粒子被實驗發現50周年，在紀念這一發現50周年的系列活動中，J/ψ粒子的發現者、諾貝爾獎得主丁肇中，粲夸克理論預言的提出者、諾貝爾獎得主謝爾頓·格拉肖和盧西亞諾·邁亞尼，量子色動力學的奠基人之一、諾貝爾獎得主大衛·格羅斯一起造訪了中國科學院高能物理研究所，并分別參觀了北京正負電子對撞機和北京譜儀實驗。在相關活動的對話中，格羅斯評價北京正負電子對撞機和北京譜儀實驗：“這是一個研究量子色動力學的絕佳實驗室，有能力探測夸克之間非常復雜和豐富的相互作用，這使我們能夠從根本上理解核物質。所以這是一個非常重要的貢獻，中國的高能實驗取得了很大的成就。”而邁亞尼則比較了他1993年首次造訪中國科學院高能物理研究所時的情形與如今的面貌，認為中國的高能物理實驗“自1993年以來所取得的進步令人驚訝，在這里進行的實驗產出了非常高質量的成果。”這些來自國際同行的評價客觀體現了北京正負電子對撞機和北京譜儀實驗的先進性。

巧合的是，2024年也是北京正負電子對撞機建成40周年，以及北京正負電子對撞機重大改造工程開工20周年，為紀念這些歷史事件并回顧北京譜儀實驗的科學成就，我們組織了本專題的編寫。本專題匯集了9篇關于J/ψ粒子發現的實驗和理論文章，以及北京譜儀的科學成果綜述論文，旨在為讀者提供一個全面而深入的視角，幫助讀者了解這一領域的關鍵進展和未來發展方向。

在回顧J/ψ粒子發現的背景和過程中，我們將看到科學家們在面對未知時展現的探索精神和科學嚴謹性。丁肇中在美國布魯克海文國家實驗室進行的實驗，以及伯頓·里克特在斯坦福直線加速器中心的實驗，都是科學史上的經典案例。這些研究不僅驗證了夸克模型的預言，還為后續的理論發展提供了堅實的基礎。在探討北京正負電子對撞機和北京譜儀的建設和發展歷程時，我們看到中國高能物理研究的快速進步和國際影響力的提升。北京正負電子對撞機和北京譜儀實驗的建設和升級，不僅推動了國內相關技術的發展，也為全球科學界提供了獨特的實驗數據和研究成果。最后，我們展望未來陶—粲能區物理研究的發展潛力，探討相關物理研究在中國的發展方向。隨著實驗技術的不斷進步，這些新設施將繼續在國際高能物理研究中發揮重要作用，為探索宇宙的奧秘提供更強大的工具。

本專題不僅是對J/ψ粒子發現和粲強子相關物理研究的總結和回顧，更是對未來探索的展望。我們希望這些文章能夠激發讀者的興趣，促進國內外的學術交流與合作。希望通過本專題，讀者能夠更好地了解J/ψ粒子及粲強子研究的歷史、現狀和未來，并從中獲得啟發，為推動科學的進步貢獻力量。北京正負電子對撞機和北京譜儀的卓越成就，不僅是中國高能物理研究的驕傲，也是全球科學界共同努力的結晶。我們期待未來的研究能夠繼續揭示宇宙的奧秘，在人類文明的發展歷程中留下深刻的印記。

紀念粲夸克發現50周年及北京譜儀Ⅲ實驗專題

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