中日两国对撞机，都产出了什么重要成果？

本文来自微信公众号：科技导报 （ID：STReview），论文全文发表于《科技导报》2022年第13期，原标题为《中日两国对撞机建设与运行对比：基于历史和科学计量视角》，作者：李华东、刘细文，题图来自：视觉中国

加强基础科学研究力度、提高基础科学研究水平是科技强国愿景的战略共识。重大科技基础设施（以下简称“重大设施”）是为科学技术发展服务、解决经济社会发展和国家安全重大科技问题的大型科学研究系统。

对撞机是用于粒子物理实验的专用型设施。在世界范围内，现运行的对撞机只有7个。在亚洲只有中国和日本建有对撞机，即北京正负电子对撞机（BEPC）和非对称正负电子对撞机（KEKB），它们同属于电子对撞机。以下分别从历史和科学计量的角度出发，对比分析二者的建设和运行情况。

一、中日两国对撞机概况

中国北京正负电子对撞机

北京正负电子对撞机由中国科学院高能物理研究所运行管理，始建于1984年，于1988年实现正负电子对撞。自1989年9月BEPC上的探测器北京谱仪（BES）正式开始实验探测后，BEPC和BES分别经历了1和2次升级，目前运行的BEPCII是在BEPC的基础上经过5年的改造升级而来，于2009年7月通过国家验收。北京谱仪经过2次升级后，目前简称为BESIII。为简洁起见，下文不再区分KEKB和SuperKEKB，以及BEPC和BEPCII。

BEPC的对撞环周长约240 m，对撞能量为3~5 GeV，覆盖了粒子物理领域中粲物理的能量区域。在长达30年的运行时间里，BEPC产出了一系列重要成果，其中包括精确测量τ轻子质量、2~5 GeV能区强子反应截面（R值）测量等。这些成果奠定了中国在粲物理领域的国际领先地位。

日本非对称正负电子对撞机

坐落于日本筑波高能加速器研究中心（KEK）的KEKB是世界上亮度最高的对撞机。KEKB又被称为B介子工厂，因为在其对撞能区可以产生大量B介子。2001年，KEKB的实验结果验证了关于CP破坏的理论假设，而直接促成了2位日本物理学家被授予2008年诺贝尔物理学奖。KEKB能量范围集中、实验亮度高，以及实验本底干净，因此一直是学界研究B物理及相关领域的重要设施。

二、中日两国对撞机建设历史

北京正负电子对撞机工程提案

对撞机是进行高能物理（粒子物理）研究的专用型重大科技基础设施。在对撞机工程真正付诸实施之前，中国的科技工作者先后为建设何种能量、何种类型的加速器反复论证提议多次。表1列出了中国科技工作者在跨度近30年的时间里，曾提议建设的加速器装置。

表1 中国历年提出的加速器（对撞机）

表1中列有8个装置，除了北京正负电子对撞机完成建设并运行至今，其余的都未曾真正步入建设。最接近实施工程建设，也为后来建设北京正负电子对撞机打下大量基础的是1977年明确的“八七工程”。不过，由于国家大政策的调整与实际的经济、技术条件限制，该工程最终也未实施。

北京正负电子对撞机的规划选择

自1956年提出建设加速器装置始，中国在20多年的时间里一直在论证其可行性。进入20世纪80年代后，美欧等西方国家在高能物理实验方面已有多年积累，中国在此领域也开始有了进展。表2列出了该时期国际上正开始运行的对撞机。

表2 20世纪70年代开始运行的对撞机

20世纪70年代，实验发现了多个基本粒子，其中之一是1974年在布鲁克海文国家实验室发现的J/ψ粒子。J/ψ粒子被发现后，粲物理逐渐成为一个热点领域。当时国际上并无专门针对粲物理能区的对撞机，这意味着此领域还有很大的研究窗口存在。

在上述背景下，截止1981年，中美双方已就中国高能物理实验设施的建设方案进行了多次会谈。在充分考虑物理研究意义和预算经费的限制后，形成的意见是建造一台对撞能量为4.4 GeV的正负电子对撞机，该意见得到通过并最终促成了BEPC的建设运行。BEPC的成功是中国科技人员克服重重困难得来的。

截止2019年，BEPCII上的BEPCIII实验合作组有来自14个国家和地区的60多个研究单位的450多位科学家参加，其在粲物理领域的研究风头正盛。

日本建设正负电子对撞机前的高能物理

20世纪70年代中期，描述宇宙间基本粒子组成及其相互作用的粒子物理标准模型完成。不过，在KEKB动工建设（1994年）时，不论是实验现象，还是寻找基本粒子方面，都还有几个重要问题未被解决。

在实验现象方面，研究人员于1964年在布鲁克海文国家实验室的加速器AGS上首次观测到了中性K介子的CP破坏现象。1972年，日本物理学家小林诚和益川敏英提出了夸克间弱相互作用耦合的模型（KM矩阵），该模型允许在夸克混合矩阵中出现一个CP破坏相位，并同时预言了3代共6种夸克的存在。在1976年，有物理学家指出，通过选取合适的参数值，KM矩阵可以很好地解释之前发现的CP破坏现象。

在寻找粒子方面，质量约为4.6 GeV的底夸克于1977年被美国费米国家实验室的E288实验组发现。此后，对顶夸克的寻找便成了国际焦点。CERN的超级质子同步加速器（SPS）于1983年发现了质量在90 GeV附近的W、Z玻色子，但后续未能发现顶夸克。包括顶夸克在内，彼时还剩τ中微子、希格斯玻色子共3个基本粒子未被发现。

非对称正负电子对撞机的研究目标

20世纪70年代后，高能物理实验的水平和技术在持续进步，但探索物理学基本原理的困难度也在飞速增长。表3列出了最后几个被发现的基本粒子，以及发现它们的对撞机（加速器）情况。从中可以看出，为了在实验中证实标准模型中基本粒子的存在，所需的设施能量越来越高。此外，这些设施无一例外地归属于美国或欧洲，也从侧面反映了前沿的高能物理实验对国家科技水平和综合实力的高要求。

表3 基本粒子与其发现设施

在未能发现新粒子、又无重要成果的现实下，日本是如何走向后来的KEKB工程的？分析发现，日本建设KEKB的物理目标十分明确，即深入研究B介子系统及其中的CP破坏。这个研究方向既有重要的科学意义、明确的成果前景，也不会对技术、工程、成本等方面的要求过高。因此，KEKB工程的实施既是追寻科研目标的历史性必然，也是重大科技设施工程研究的战略性决断。

小结

对比发现，由于资金、技术、人才等方面条件的明显欠缺，中国的BEPC项目客观上受到了不少限制。不过，与BEPC能区所对应的粲物理领域是最符合当时国情与领域发展机会的选择；日本在选择建设KEKB时更具针对性，其在高能物理发展的大潮流下占据了B物理领域，并产出了很多重要成果。当然，BEPC和KEKB都是各自领域内最为先进的对撞机，也为各自国家相关领域的发展起到了重要的推动作用。

三、中日两国对撞机的科研情况

本文以Web of Science核心合集为数据源，检索到BEPC产出论文439篇，KEKB产出论文568篇（限定发表时间为2020年及之前，检索日期为2021年5月15日）。

论文产出与主题领域

图1给出了BEPC和KEKB在高能物理领域发文量的年度分布情况。在升级完成后，BEPC发文量在整体趋势上逐年上升，并于2015年超过了KEKB的发文量。从2017年至今，BEPC的发文量较KEKB已保持了4年领先。日本的KEKB在1998—2010年完成了实验运行的第一阶段，在此期间，KEKB的发文量相较于BEPC有明显优势。在2010—2008年的升级阶段内，其发文量虽然在波动中保持了相对稳定，但被升级后的BEPC超越。

图1 中日对撞机发文量

为了对比中日对撞机上学术产出的影响力情况，图2给出了利用二者所发表的论文中，被引频次大于100的文献分布。

图2 利用中日对撞机发文中被引数大于100的文献

在数据库有记录的20多年里，BEPC共有12篇符合条件的文献，KEKB共有54篇符合条件的文献发表。

引文的时序分布可直观地展示设施学术产出影响力的持续性。在高被引文献方面，KEKB的引文分布和所有文献的引文分布达到了极高的一致性，而BEPC的高被引文献的引文分布曲线在2016年后表现出疲软的态势，这与其全体文献的引文分布走势有较大差别（图3）。

图3 被引数大于100文献的引文分布

对撞机是为粒子物理研究服务的专用型重大科技基础设施，其研究的领域较为聚焦。因此，本节利用前期已完成构建的主题抽取程序和领域主题词库，对BEPC和KEKB产出论文的主题进行识别（表4）。

表4 论文主题领域

从表4可以看出，2个对撞机产出论文的研究主题有不少重叠，如奇特态、粲物理、量子色动力学等。不过，BEPC侧重研究在粲物理、奇特态等主题，KEKB侧重于B物理、CP破坏等主题。

研究内容与重要成果

中国的BEPC是处于粲物理能区的对撞机，日本的KEKB则处于B物理能区，能区的不同也造成了二者研究内容的明显差异。

BEPC自建成运行后先后在精确测量τ轻子质量、R值，研究含粲夸克粒子的衰变模式，发现新的共振态等方面取得重要成果。此外，BEPC提供的中性粲介子相对强相角对于KEKB测量CP破坏相位至关重要。KEKB是研究B物理、CP破坏等领域，以及寻找新物理的重要装置。KEKB的研究领域具有丰富的物理内容。

国际合作

拥有对撞机的国家能显著吸引国际同行参与科研合作，参与KEKB实验的国家有34个，BEPC有16个。中日对撞机的科研活动都具有较高的国际化程度，这种国家间合作代表了国际学术界对BEPC和KEKB的依赖与认可。

表5 国际合作与论文占比

图4 共同主要合作国家及其发文占比

图5 排名前10位参与KEKB/BEPC实验的合作国家及其发文占比

四、结论

从历史和运行表现出发，对比研究了中国BEPC和日本KEKB的整体情况，结论如下：

1）从历史角度来看，中国的正负电子对撞机是在综合考虑国情、领域发展，以及尽可能花最少的钱办更多的事后的选择。与之相比，日本对撞机的建设时间相对更晚，其经费实力也更强，且其在立项之初便朝着物理内容更为丰富的B物理领域设计，这也保证了其能产出更多高价值的成果。

2）在设施运行方面，分析了论文产出与被引情况、论文主题领域、主要研究方向与重要科研成果等。BEPC的论文产出近10年快速增长，目前的年产出量已经超过KEKB，但在整体影响力方面仍需继续追赶。此外，BEPC在运行期间取得了多项具有重要意义的科研成果，奠定了中国在粲物理领域的领先地位。

3）国际合作对于提升国家的科研领域形象和影响力方面有正面促进作用，中日两国在对撞机实验方面皆有较高的国际合作程度，但参与日本对撞机实验的国家相对更多，参与程度也更高。

总之，随着中国综合国力的增强和对科技发展需求投入的增加，过去由于经费不足等多方面带来的掣肘将会得到缓解，但底气足的同时更需要加强对未来设施的战略规划研究。结合形势，把握学科领域发展的未来趋势，找准发力点，可使重大设施对领域发展带来事半功倍的效果。

本文来自微信公众号：科技导报 （ID：STReview），作者：李华东、刘细文