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中国科学院知识创新工程成果解析两项高能物理实验让世界震惊(041228)
时间 : 2004-12-28     

北京谱仪是北京正负电子对撞机上的大型通用探测器,北京谱仪国际合作组是由高能物理研究所和国内17所大学和研究机构及美国、日本、韩国和英国的物理学家和研究生组成的。近几年来,取得了不少重要的物理成果,R值精确测量与发现可能的新共振为其中最重要的两项。

在2~5GeV能区的R值精确测量,是近年来国际高能物理高精度测量前沿的重要成果之一。描述微观世界基本粒子结构和相互作用的“标准模型”成功地解释了迄今几乎所有的实验结果。但解释所有粒子质量来源的称为黑格斯的粒子还没有找到,成为粒子物理研究中最重要的课题。国际上高能物理实验的主要研究领域分为两个方面,一是高能量前沿,寻找黑格斯粒子和其它新粒子,探索超出标准模型的新物理现象。二是高精度前沿,精确检验标准模型和测量其基本参数。在这两方面的研究中,涉及强相互作用贡献的计算都需要将正负电子湮没产生强子的产生截面——即我们所说的“R值”作为基本输入量。

5GeV以下的R值是标准模型计算不确定性的重要部分,上个世纪80年代,国际上曾有6个实验组在2~5GeV能区进行过R值测量,但只有3个实验组正式发表了实验结果,而且误差高达15~20%,由此带来的理论计算的不确定性是对标准模型精确检验的严重障碍。20多年来,此能区的R值测量没有取得任何新进展。

由于R值的精确测量实验是一项大型科学实验,需要在正负电子对撞机上的探测器上进行。而国际上只有北京正负电子对撞机和北京谱仪在2~5GeV能区运行。鉴于5GeV以下能区R值的特殊重要性,在北京正负电子对撞机和北京谱仪上进行R值测量成为高能物理界期待和关注的焦点。北京谱仪国际合作组充分把握了国际高能物理发展的最新动态,选定了R值测量这一在理论上有全局性重大意义、在实验上极富挑战性的课题,精心设计了全能区的实验方案。此项实验对加速器和探测器的性能及运行水平,对实验技术和数据分析方法以及理论模型等都是严峻的挑战。经过可行性研究,国际合作组把测量能区定为2~5GeV,精度目标定在7%左右,该指标对北京正负电子对撞机运行能量和北京谱仪测量精度的要求已经接近极限。

北京正负电子对撞机和北京谱仪于1984动工建造,1989年投入运行,1990年正式获取物理数据,并于1995~1998年进行了升级改造。为了完成R值精确测量实验,北京正负电子对撞机发挥了运行以来的最高水平,在如此宽的能量范围内长时间保持了长束流寿命和高亮度的稳定运行,这在国际高能物理实验研究中也属领先水平。北京谱仪在2~5GeV能区的近百个能量点上进行能量扫描测量,并在数据分析中,发展和应用了多项创新方法和理论模型,使测量的系统误差大大降低,平均测量精度达到6.6%,比国际上原有的实验结果提高了2~3倍。北京谱仪所获的R值与量子色动力学理论的预言在一倍标准偏差内符合,显著减小了相关理论计算的不确定性。标准模型推断的黑格斯粒子最可几质量由62GeV上升为98GeV,与直接寻找黑格斯粒子的实验相容,质量的上限也由原来的170GeV改变为212GeV(95%置信度),对黑格斯粒子的寻找和发现产生了重要影响。

北京谱仪的R值测量结果在国际会议上报告29次,其中重大会议特邀报告14次。R值测量的初步结果2000年7月在日本大阪举行的第30届国际高能物理大会上报告,引起了很大反响,被大会多个报告引用,为多年所罕见,受到国际高能物理界高度赞赏和重视,称赞这是一个“非常重要的实验,非常漂亮的结果”,将其列为近年高能物理的重大成果之一。法国科学院院士M.Davier称之为“北京革命”,俄罗斯物理学家S.I.Eidelman称之为R值测量的“真正突破”。北京谱仪报道R值测量结果的两篇文章分别于2000和2002年在《物理评论通讯》上发表,并在其它SCI检索杂志上发表了多篇反映创新方法和理论模型的文章。《物理评论通讯》杂志的评审人认为,文章给出的测量结果是非常重要的,文章所给出的改进对粒子物理界是极其重要的,因为几个精确弱电实验的解释都受到R值测量精度的极大影响。欧洲核子中心和德国物理学家B.Pietrzyk和F.Jegerlehner指出近期电磁跑动耦合常数和μ子反常磁矩精度的提高主要来自北京谱仪测量结果的贡献。2002年国际粒子数据手册(PDG)将多年不变的R值图作了重大改动,增加了BES的全部结果,国际粒子物理数据库收录了全部R值数据。从2000年起至今所有的高能物理会议都继续引用和评价BES的R测量结果。从2000年起一直到2003年的欧洲高能物理大会、国际轻光子大会报告等国际会议报告及其它高能物理研讨会都还继续引用和评价北京谱仪的R值测量结果。据SLACSpires检索系统上的统计,有关文章已被引用183次,引用数每月都在增加,充分显示了北京谱仪和北京正负电子对撞机在国际高能物理界的重要地位。

2~5GeV能区R值的实验技术、加速器技术和测量结果都处于世界领先地位,该成果被评为2002年度科学院重大创新贡献奖,并获2003年度北京市科学技术奖一等奖。

北京谱仪投入运行后陆续取得一批有意义的科研成果,特别是北京正负电子对撞机和北京谱仪在1999年初完成了升级改造,整体综合性能大幅度提高,北京谱仪所获取的有关数据已经构成了当今世界上2~5GeV能区的最大的数据样本。在1999年后两年的运行中,北京谱仪获取了5800万的J/ψ事例,比世界上其他实验组高一个数量级以上。

2003年7月30日,北京谱仪国际合作组宣布:在5800万J/ψ事例的数据分析中,发现了一个新的短寿命粒子,质量为18.59亿电子伏特,自旋为0。这种短寿命粒子通常被称作共振态。这个重要结果已在国际著名杂志《物理评论快报》上发表并引起了国际高能物理界的高度重视。各新闻媒体纷纷对此事作了报道,著名理论物理学家J.Ellis和J.Brodsky分别在有关评述文章和国际会议报告中称最近这些新发现“令人惊异”,“对发展强相互作用理论有着重要意义”。李政道教授也致信高能所表示祝贺,信中评价说:“这是一个十分重要的成果,也是物理学上很有意义的工作。”

北京谱仪国际合作组在分析在20世纪90年代初获取得的800万事例数据时(北京谱仪改造前)曾发现过这个共振态存在的迹象,但当时由于统计量有限,不足以确定为新共振态。此次新发现的共振态是在分析J/ψ的辐射衰变到质子反质子过程中找到的,即丁肇中教授和里希特教授1974年发现的由一对正反粲夸克组成的J/ψ粒子衰变到光子和这个新共振态,此共振态再衰变到质子反质子对。J/ψ的衰变研究是研究轻强子谱和寻找新粒子的理想物理过程。粒子物理把由夸克、反夸克组成的粒子称为强子,之前的实验观察到的强子都是由两个或三个夸克(反夸克)组成的。

寻找多夸克态一直是国际高能物理实验的重要目标。北京谱仪国际合作组新发现的粒子由于特有的性质,尤其是很窄的宽度而很难归结为通常的夸克-反夸克结合态,因而被推测为可能是一种多夸克态。中外物理学家正对这个新共振态的性质和衰变特性从理论和实验上进行深入的研究和讨论,并在其他衰变中寻找类似的过程。

十多年来,北京谱仪已经取得了多项国家、科学院、北京市颁发的科学奖项,如:τ轻子质量的精确测量、DS物理的实验研究、ψ2S)粒子及次生粲夸克偶素物理的实验研究、2~5GeV能区R值精确测量重大物理成果、J/ψ共振参数的精确测量、北京谱仪上J/ψ衰变物理的实验研究等,预期还有一批高水平的物理结果即将发表。(作者单位:中科院高能物理所

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