北京谱仪物理实验研究 金 山 中国科学院高能物理研究所

物理学是以实验为基础的科学。在实验上发现新粒子或新物理现象，一直是促进物理学发展的根本动力，而许多重大问题最终只能由实验回答。

主要内容 高能物理简介 —— 北京谱仪（BES）实验在国际 高能物理中所处的位置 —— 北京谱仪实验研究的 物理意义 高能物理实验研究简介——北京谱仪实验中新的 Monte Carlo 模拟软件 北京谱仪实验重大物理成果 （包括最近一系列新发 现）

北京正负电子对撞机（BEPC）鸟瞰图

侧 面 图 端 面 图 7X6X7米3，500吨

什么是高能物理？ 高能物理又称粒子物理，是研究物质的基本组元和它们之间相互作用规律的一门学科。 高能是指研究粒子物理需要高能加速器实验手段，能量一般大于 1 GeV (10 9电子伏)。 高能物理研究的内容涉及到基本的物质结构及其相互作用规律，因而在人们认识世界和改造世界过程中起到很大作用。 始终处于科学的前沿。 总结出的“标准模型”是物理的基础。 把人们的认识水平推进到 10 –19 米。

客体尺度与观测手段

高能加速器和探测器的应用非常广泛和深远。 几十年来高能物理对科学做出了重大贡献。 从1901年颁发诺贝尔奖起，已有一百多位物理学家获得了诺贝尔物理奖，其中有四十多位与粒子物理有关，是物理学中获诺贝尔奖最多的一门分支。

自然界中的四种相互作用 重力 强作用 弱作用 电磁作用

四种基本相互作用 引力相互作用 万有引力广义相对论 （宏观） 电磁相互作用 麦克斯韦方程 量子电动力学（QED） 弱相互作用 电弱统一理论 强相互作用 量子色动力学 （QCD） 标准模型

物质的组成单元 Electrons (10-18 m ) 电子 Atom nucleus nucleon quark 原子 核子(质子,中子) 核子 夸克 10-10 m 10-14 m 10-15 m 10-18 m

基本粒子分类（名词）常识 按质量分类 (old convention) 轻子（lepton）：例－电子（e）、中微子 强子 介子（meson） ：例－π 介子 重子（baryon）：例－质子、中子 强子 后来，介子和重子因参加强相互作用被统称为强子。 自然界现已发现大约140种介子和大约120种重子，它们 是否还有深层结构？

夸克模型 在夸克模型中： 介子由（q q）构成 重子由（q q q）构成

标准模型中的基本粒子分类 u c t e   d s b e   夸克 轻子 夸克和轻子 （matter constituents） 六种夸克和六种轻子分为三代：(三代费米子—自旋为半整数的粒子) 中间玻色子 （自旋为整数的粒子）－传播相互作用 Force Carrier：光子（γ ）、W粒子、Z粒子 电弱相互作用 胶子（gluon）强相互作用 Higgs 玻色子 －决定物质质量 标准模型中唯一尚未发现的粒子 u c t e   d s b e   夸克 轻子

标准模型（EW＋QCD）的检验 以在欧洲核子物理中心（CERN）的 LEP 对撞机上的四个实验为主，对标准模型，尤其是弱电理论进行了大量精确检验，证明了标准模型的巨大成功。 标准模型建立发展的三十多年中，多项获诺贝尔物理奖。

量子色动力学（QCD）—— 描述自然界强相互作用 的基本理论： 在高能（>10 GeV) 下预言的“渐近自由”现象已被大量实验所证实。“渐近自由” 的发现获得 2004 年 Nobel 奖。

尚待回答的重大问题 Higgs 粒子是否存在？ 超对称粒子（SUSY）是否存在？ CP破坏的本质是什么？ 夸克、胶子等离子体是否存在？（期待RHIC上发现） 是否存在由新型强子构成的物质形态（多夸克态，胶球，混杂态）？ （当前研究热点前沿课题－BES） 暗物质、暗能量的本质是什么？ 是否存在标准模型之外的模型？ （理论家都相信标准模型只是一种有效理论）

高能物理实验发展的主要方向 对撞机（加速器）实验 非加速器实验 高能量前沿：LHC，RICH， 直线对撞机LC （未来） （寻找Higgs，SUSY，夸克胶子等离子体) 高亮度前沿：Babar, Belle （研究CP破坏 ） BES，PANDA … （寻找新型强子态） 非加速器实验 包括中微子、宇宙线、天体物理实验。

北京正负电子对撞机（BEPC）示意图 储存环的周长为240.4米 注入器长202米 对撞能量2-5GeV 物理目标

北京谱仪最重要物理目标之一 —— 新型强子寻找 高能QCD检验获得成功，然而，低能下(<3GeV) QCD 理论尚 有待进一步实验检验，尤其是有许多重大问题亟待实验回答， 例如： 自然界是否存在由新型强子构成的新的物质形态？ 北京谱仪最重要物理目标之一 —— 新型强子寻找

新型强子：多夸克态、混杂态和胶球 已知强子（参加强相互作用的粒子），均由2个或 3 个夸克组成： 夸克模型： 介子由（ q q ）构成 新型强子 — QCD理论的重要预言： 多夸克态 ：夸克数>＝4 混杂态 ： 夸克和胶子混合组成 （qqg，qqqg …） 胶球 ： 纯胶子组成 （gg， ggg …） 介子由（ q q ）构成 重子由（q q q）构成

质子－反质子束缚态 (baryonium) 一种特殊的由6个夸克组成的多夸克态粒子 60年前（夸克被发现前）费米-杨振宁曾预言了质子-反质子束缚态的存在。然而，基于新的夸克概念下的质子和反质子能否通过强相互作用力形成束缚态是困扰物理学家近半个世纪的疑难问题 质子-反质子束缚态的主要特征：与质子-反质子的耦合非常强 实验上能否发现与质子-反质子耦合很强的粒子 对回答这一疑难问题尤为重要

实验上发现多夸克态、胶球和混杂态等新型强子对 检验和发展 QCD 理论具有重大意义，一直是世界上许 多高能物理实验的最重要物理目标。 自从丁肇中教授发现粲粒子 J/  以后，粲粒子的衰 变被公认为是寻找和研究这些新型粒子的理想场所。 北京谱仪（BES）是工作在北京正负电子对撞机上 用来进行粲粒子物理研究的大型通用探测器。 新型强子研究——中国高能物理发展的重大机遇和挑战

J/ 粒子 1974年，丁肇中教授（Samuel Chao Chung Ting）和里克特教授（Burton Richter）分别独立地发现了J/ψ粒子, 为此获得诺 贝尔奖。 J/ψ粒子由一个 c 夸克和一个反 c 夸克组成。 事实上 c 夸克是由于J/ψ粒子发现而发现的 （November Revolution) J/ψ粒子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。

激烈的国际竞争和我们的优势 目前，国际上有二十多个实验进行新型强子的研究，竞争相当激烈。我们的优势在于： 世界上最大的数据样本： 高统计量 — 对发现新粒子和新物理至关重要！ BES 在新型强子研究领域处于国际领先地位。

高能物理实验的三大主要工作方向 物理分析 理论研究 高能物理研究团队性强，也需要各方面人才 探测器设计、建造、取数 （硬件） 数据重建、模拟 （软件） 物理分析 理论研究 高能物理研究团队性强，也需要各方面人才

侧 面 图 端 面 图 7X6X7米3，500吨

北京谱议探测器 大型通用探测器，综合提供以下信息： 粒子鉴别；带电径迹的动量；“电磁”沉积能量 能够探测和鉴别的粒子 这些信息被用于物理分析的事例选择中 能够探测和鉴别的粒子 带电径迹：e， ， π，K，p （质子最容易鉴别） 中性径迹：γ 最终在物理分析中重建出原始产生事例

BESII 新的 Monte Carlo （MC） 模拟软件 SIMBES

What is Monte Carlo? Monte Carlo is a name of casino in Monaco. gambling probability Monte Carlo is a technique of simulation based on probability using known theory/model/knowledge.

MC Simulation in HEP Generator Theoretical model simulation Detector Simulation

高能物理实验中，MC 模拟软件至关重要 探测结果 ＝ 理论模型 × 探测效率 为了得到与理论模型可比较的物理结果，必须进行探测 效率修正。

BESII 新的Monte Carlo 模拟软件 SIMBES 在 J/ 能区的实验测量中，BES 实验于 2003 年完成的 新的 MC 模拟软件 SIMBES, 第一次实现了模拟各种粒子 与探测器的相互作用和探测器的真实化响应。 SIMBES 的完成标志着 BES 模拟软件方面达到了世界高 能物理实验先进水平。 对探测效率有很大影响，因而对BES实验所有物理结果都 有很大影响  对确保 BES 获得正确物理结果必不可少 （在前述一系列新发现中起到非常重要的作用）。

新的模拟软件 SIMBES 对 BESII 所有物理结果都有重要影响 例： J/  3 衰变分支比测量 利用 SIMBES 得到的测量值比用SOBER得到的值大了 30％，也比以前世界平均值大了30～40％。 BES’s result is consistent with Babar’s new results BES 基础软件的正确性对获得正确的物理结果至 关重要！ 大批物理结果被 BESII 刷新。

BES 实验重大物理成果

北京谱仪 轻子质量测量精度比国外平均水平提高10倍，下图是 质量、探测器探测效率和最大似然函数值的三维图像。 1995年

 轻子质量的精确测量 北京谱仪实验完成的第一项世界领先的实验成果（1992），目前仍是世界上最精确的： 纠正了以前不准确的测量值，排除了因不准确数据造成的 “对轻子普适性的普遍怀疑”。以前： 被公认为当年国际高能物理界最重要的物理成果之一，为验 证轻子普适性做出了主要贡献。 获 1995年国家自然科学二等奖 等奖项。

1999－ 2002年 北京谱仪R值测量：2-5 GeV能区R值精度比国外平均水平提高2~3倍，对确定Higgs质量范围有重要影响。

2－5 GeV 能区的 R 值精确测量 R 值实验是在正负电子对撞机上进行的强子产生截面的绝对 测量，它的测量精度对理论上预言的 Higgs 粒子的质量等 有重要影响（Higgs粒子是标准模型中唯一尚未发现的粒子）。 BEPC/BES 在2－5 GeV 范围内测量了 85 个能量点，测量 结果的平均误差为 6.6%，比以前的实验精度提高了2～3倍。 BEPC/BES 上进行的 R 值测量得到了国际高能物理界的广 泛关注。测量结果共被引用183次。 获 2003年中国科学院杰出科技成就集体奖 等奖项。

中美科学家发现新粒子 新华社北京2003年7月30日电（记者邱红杰） 新华社北京2003年7月30日电（记者邱红杰）　 中美科学家日前在北京正负电子对撞机上首次发现一个新粒子，… … 中美科学家合作分析研究从北京正负电子对撞机和北京谱仪上得到的5800万个J粒子事例的数据时，发现了这个新的短寿命粒子（注：短寿命粒子又被称为共振态）。这个结果已在国际著名杂志《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表，并引起了国际高能物理界的高度重视。

J/ygpp 北京谱仪上发现的新粒子 +3 +5 0.1 0.2 0.3 M(pp)-2mp (GeV) Fitted peak +3 +5 -10 -25 Mass: M=1859 MeV/c2 Width: G < 30 MeV/c2 (90% CL) c2/dof=56/56 0.1 0.2 0.3 M(pp)-2mp (GeV) Eff. curve BG curve

什么是共振态（resonance） 已观测到的强子大多是共振态。（例：J/ 粒子） 寿命极短的粒子被称作为共振态。 共振态的（衰变）宽度Γ ： 其质量不确定范围，与寿命成反比： （h为普朗克常数） 共振态的宽度是理解其结构组成的重要基本性质(参数）。 相互作用越强 → 寿命越短 → 宽度越大 典型的强作用衰变宽度：≥100～200 MeV

共振态的观测与描述 衰变末态不变质量谱是观测共振态（反应截面）的重要手段。 例：A → B + C 共振态的数学描述 (Breit-Wigner 函数) 质量 宽度

新共振态的意义 很难被解释为常规介子 质量 ≤ 2Mp 可能是人们寻找已久的质子－反质子束缚态 一种多夸克态） 新型强子共振态 对检验和发展QCD理论有重要意义 质量 ≤ 2Mp 可能是人们寻找已久的质子－反质子束缚态 （又被称为重子偶素（baryonium） —— 一种多夸克态）

质子－反质子束缚态 (baryonium) There is lots & lots of literature about this possibility E. Fermi, C.N. Yang, Phys. Rev. 76, 1739 (1949) … I.S. Sharpiro, Phys. Rept. 35, 129 (1978) C.B. Dover, M. Goldhaber, PRD 15, 1997 (1977) Datta, P.J. O’Donnell, PLB 567, 273 (2003)] M.L. Yan et al., 六篇文章 B. Loiseau et al., hep-ph/0411218 deuteron: baryonium: attractive nuclear force attractive force? + n + - loosely bound 3-q 3-q color singlets with Md = 2mp- e loosely bound 3-q 3-q color singlets with Mb = 2mp-d ? Observations of this structure in other decay modes are desirable.

强烈的国际反响 (I) 该文章已被引用 200多次。由于包括该发现在内的近年来国际上一系列新发现，使得多夸克态粒子的寻找和研究成为当前国际高能物理研究的最前沿热点领域。多夸克态粒子研究进展被美国物理学家评为2003年物理学十大进展之一。 欧洲核子研究中心（CERN）著名理论物理学家 J.Ellis 和美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）的理论物理学家S.J.Brodsky分别在有关文章和国际会议报告中称最近这些新发现 “令人惊异”，“增强了发展强相互作用理论的必要性”，说明了“进行e+e-对撞实验的重要性”。 李政道教授也致信高能物理所表示祝贺，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。”

强烈的国际反响 (II) 德国著名强子谱学专家 E.Klepmt 教授将该粒子称为“北京谱仪粒子”，并将这一研究成果列入研究生教材。 《物理评论快报》（Physical Review Letters）两个评审人均给予很好的评价：“由于北京谱仪等实验多个新发现的共振峰…使得存在重子－反重子束缚态及多夸克态的问题再次引起很大关注”，“这篇文章研究了关于重子－反重子质量阈值增长结构的重要课题…。北京谱仪是第一个报道质子－反质子质量阈值增长结构的实验。” 在2004年举行的世界最大规模的第三十二届国际高能物理大会（ICHEP 2004）上，有三个特邀大会（Plenary）报告（包括大会总结报告）总结或评述了本项研究成果，三个报告均认为北京谱仪新的研究成果显示在重子－反重子质量阈值附近存在“强子分子态”或“多夸克态”。

强烈的国际反响 (III) 由中国物理学家的实验结果引发的新的国际前沿研究热点 正是由于 BES 实验的一系列新发现，国外其他实验开展了相关的研究工作：美国的 BaBar 实验和日本的 Belle 实验开始寻找研究重子－反重子质量阈值奇特增长现象，美国的E687实验开始寻找重子－反重子共振态存在的更多证据。 美国、德国、法国、英国、意大利、加拿大、西班牙、葡萄牙、芬兰、以色列、俄国、日本和中国等许多国家的理论物理学家针对本项研究成果进行了直接或相关的各种研究和计算。尤其是最近以研究质子－反质子相互作用著称的德国“波恩势”研究组和法国“巴黎势”研究组针对北京谱仪的质子－反质子奇特增长结构做了仔细计算。最新完成的各种理论计算均表明应存在质子－反质子束缚态。 由中国物理学家的实验结果引发的新的国际前沿研究热点

发现 X1835 新粒子 新华社北京2006年1月6日电(记者李斌、吴晶晶)：

在BESII实验中发现 X(1835) 新粒子 X(1835) X(1835)粒子的质量和寿命与质子－反质子末态测量值（在误差范围内）一致。 成果发表在 Phys.Rev.Lett， (PRL95, 262001(2005))

立刻引起强烈国际反响 该新发现在国际会议上报告后，立刻引起非常地强烈反响。2005年7月1日我们在瑞典举行的国际规模最大的轻子－光子大会上报告该结果后，大会主席 Tord Ekelof 教授认为这是最重要的成果，立刻特意安排瑞典国家广播电台对我们进行了采访。他对记者说：“这可能是首次观测到物质和反物质可以通过强作用力形成束缚态的证据，因而非常重要”。 有理论家认为 “It is the most interesting discovery in recent 20 years in hadron spectroscopy”。并引起理论家之间通过 email 热烈讨论。 文章被 Physical Review Letters 直接接收发表。

强烈反响和广泛的认同 首次在以我国科学家为主进行的北京谱仪实验中发现新粒子。国际权威《粒子数据手册》PDG2006首次收录以中国科学家为主发现的新粒子X(1835)等。 《粒子数据手册》在2006年版的“非常规介子”综合评述部分，因BES实验的新发现而首次加入有关“质子－反质子束缚态”的评述。

强烈反响和广泛的认同 在国内，“北京电子对撞机上发现X1835新粒子” 被评为 “2006年度中国基础研究十大新闻”第一名

2004 年：发现 “质子－反重子” 质量阈值 奇特增长结构 在 过程中发现 质量阈值奇特增长结构 这一研究成果与以上新发现的质子－反质子奇特结构具有同样重要 意义：可以被解释为一个由 6 个夸克组成的粒子。 文章已发表于 Phys. Rev. Lett. BES

2004 年：发现 “K介子－Λ重子” 质量阈值的 奇特增长结构 对该结构目前很难用普通强子解释而只能用 5 夸克态系统粒子来解释。 多夸克态粒子方面专家张宗 烨院士等人的最新计算表明 理论上存在该 5 夸克态系统 粒子。 去除相空间效应后的不变质量谱

2004 年：观测到  粒子和  粒子  M(+-) 国际上对 、  粒子的存在与否争论了几十年。 BES实验以高统计量证实了 粒子和  粒子的存在。 许多理论家认为  、  粒子是由 4 个夸克组成的“手征” 粒子，是低能量子色动力学的特有行为，对理解真空性质非常重要。  M(+-)

2006年，在J/   中 发现  阈值增长结构X(1810) 本底形状 X(1810) M2(g) M2(gw) M() 自旋、宇称倾向于 0++ Phys. Rev. Lett., 96 (2006) 162002 理论解释包括多夸克态、混杂态、胶球等

BESIII已获取世界最大J/y和y’样本 BESIII/BEPCII 升级改造完毕（造价6.4亿元） BEPCII：2008年1月实现了530mA×530mA对撞（每个环93束团）， 亮度已达到6x1032cm-2s-1 。 BESIII：所有子探测器运行良好，2009年开始取数。 已获取 2.25 亿 J/y 和 1.06 亿 y’ 数据。 BESIII 59 59 59

在BESIII实验中首次利用分波分析测定 质子-反质子质量阈值增长结构的自旋-宇称为0-+ 对深入理解该结构 是否来自于质子-反质子 束缚态非常重要 成果已发表于PRL

在BESIII实验中确认X(1835)粒子 并发现X(2120)和X(2370)两个新粒子 两个新共振态 BESIII 首次发现与理论预期一致的 胶球候选者X(2370) 成果发表于Phys. Rev. Lett PRL 106, 072002(2011)

2013年，发现Zc(3900)共振结构 意义：如果确认是一个新粒子，则应至少含有4个夸克！ 文章发表于PRL 该结构已被国外其他实验证实。 Y(4260)ppJ/y BESIII

这一系列成果是北京谱仪实验首次发现新粒子和新的奇特物理现象，说明我们在多夸克态粒子研究这一国际前沿热点领域处于领先地位。

总 结 BES物理实验研究在国际高能物理研究中占有重要 位置，在国际上具有很强的的竞争实力： 总 结 BES物理实验研究在国际高能物理研究中占有重要 位置，在国际上具有很强的的竞争实力： BES 近几年完成国际一流实验论文近 百篇，尤其在多夸克态粒子研究世界最前沿热点领域处于领先地位。 在实验上发现新型（强子）物质形态对物理学发展、对认识自然界无疑具有极其重要的意义。BES 以“新型强子研究”为主要研究目标，我们将抓住难得的历史机遇，力争取得实质性突破。 热忱欢迎年轻人加入 国际最前沿的BES 物理实验和理论研究！BESIII 将有更多的新发现！

物理学是以实验为基础的科学。在实验上发现新粒子或新物理现象，一直是促进物理学发展的根本动力，而许多重大问题最终只能由实验回答。 谢 谢！