尹曉冬 王 成

(1.首都師范大學物理系，北京 100048； 2.北京師范大學實驗二龍路中學，北京 100032)

表1 1982年前mτ測量值[7]

在“τ問題”引起廣泛關(guān)注、輕子普適性面臨嚴重危機的理論背景下，1988年建成的北京正負電子對撞機(以下簡稱“BEPC”)、北京譜儀(以下簡稱“BES”)正處于研究的合適時機——能區(qū)吻合(2—5GeV)、性能達標，正是進行τ質(zhì)量測量的絕佳平臺。中國科學院高能物理研究所(以下簡稱“高能所”)的BES合作組開始關(guān)注τ輕子質(zhì)量的精確測量并著手進行準備。1991年10月到1992年1月在BEPC/BES上進行的τ輕子質(zhì)量精確測量取得了高精度的mτ結(jié)果，有效改善了實驗測量造成的輕子普適性偏差，得到了國內(nèi)外學者的高度評價和贊譽，實現(xiàn)了鄧小平提出的“中國必須在世界高科技領(lǐng)域占有一席之地”要求與目標。本文根據(jù)檔案、當事人訪談，以國際高能物理發(fā)展、合作與交流為背景，梳理了τ輕子質(zhì)量精確測量實驗從確定課題到進行全面準備，最后立項和部署工作的歷史過程。以此展現(xiàn)起步時期北京正負電子對撞機/北京譜儀這項大科學裝置開展研究的歷史狀況，反映了國內(nèi)外高能物理研究的發(fā)展，從而闡明τ質(zhì)量測量這項突破性的科學研究是北京譜儀的歷史機遇。

1 τ輕子質(zhì)量測量課題的確立

早在1980年，國家曾計劃建設高能物理實驗基地(預計1987年建成，代號稱“八七工程”)，但由于調(diào)整國民經(jīng)濟計劃而下馬，隨后國家對建造加速器問題組織論證。當時，李政道、吳健雄、袁家騮三位科學家認為在τ-粲這個領(lǐng)域可做一些重要物理內(nèi)容。因此認為建造2.2—2.8GeV的電子對撞機比較合適。此前，美國斯坦福直線加速器中心主任潘諾夫斯基(Wolfgang K.H.Panofsky，1919—2007)也曾與李政道商討并建議同樣的方案。隨后又經(jīng)多次會議討論與論證，國內(nèi)多數(shù)高能物理學家認為，建造一臺2×2.2GeV的正負電子對撞機，不僅可以使我國高能物理的研究進入世界前沿，而且還可以利用電子儲存環(huán)產(chǎn)生的同步輻射開展生物、化學、醫(yī)學、材料科學、固體物理等方面的研究工作，直接為其他學科和國民經(jīng)濟服務[8]。因此，電子對撞機的建造初衷就已經(jīng)設定了τ-粲物理的研究。而具體到關(guān)于研究τ粒子的質(zhì)量測量，則是高能所內(nèi)部最早提出的。

1.1 早期提出進行τ質(zhì)量測量

作為BEPC/BES建設的主要目的之一，BES對有關(guān)τ物理研究的規(guī)劃在對撞機建成之初就已開始。1988年高能所即組織了多次討論會就北京譜儀未來的物理工作進行研討(封二圖1[10])，根據(jù)討論結(jié)果設立了五個課題組：τ輕子物理組、J/ψ輻射衰變組、J/ψ強衰變組、D和Ds介子物理組及輻射修正組[9]，同時組織安排實驗、理論人員對可能的課題開展調(diào)研。

同年在高能所內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了進行τ質(zhì)量測量實驗的聲音，高能所一室曾赴美進行過τ課題研究的研究員漆納丁回憶：“1988年秋，筆者(漆納丁)總結(jié)出了τ子質(zhì)量測量是一個選擇并且可能是最佳選擇，mτ已經(jīng)十年無人測量了，進一步的研究可以得出‘過去的測量值有可能不夠可靠’的印象……1988年底筆者(漆納丁)在BES組內(nèi)提出τ子質(zhì)量應當被優(yōu)先列入實驗安排，這是BES組內(nèi)τ子質(zhì)量測量實驗的第一次被提出?！盵11]

高能所還組織了一些關(guān)心、了解國際τ物理研究動態(tài)的同事分享交流意見，并逐漸取得共識“認為這對BES是一個好機會，盡快在BES上開展τ輕子質(zhì)量測量實驗”[12]。

1988年底，BEPC注入器累計進行了3次總調(diào)，運行時間5760小時，逐步轉(zhuǎn)入正常運行。1989年3月，時值BES推入對撞點開始聯(lián)合試驗前，在京召開了“粲粒子和τ輕子物理座談會”就即將開始的運行進行討論。會上副所長鄭志鵬和黃濤研究員分別對BEPC/BES狀況、離線分析的準備情況以及目前規(guī)劃的研究方向進行陳述。與會學者較為一致地認為，處于磨合期的BEPC第一年的試運行能量應選在學界已有一定數(shù)據(jù)積累的J/ψ上，以利于調(diào)試設備和積累經(jīng)驗[13，14]。

在確定了試運行能量后，大會開始報告有關(guān)J/ψ之后的運行意見，漆納丁陳述了開展τ輕子物理實驗的必要性及他對實驗的考慮和設想。首先強調(diào)了τ輕子實驗在對標準模型檢驗方面的特殊意義，“τ輕子為精確測量標準模型的基本組成成分的性質(zhì)及相關(guān)的各種參數(shù)；在較高精度的情況下通過觀測探索由標準模型無法包括的新現(xiàn)象提供了一個重要的‘實驗室’”。

漆納丁在會上特別提到CERN(歐洲核子研究中心)的賈斯珀·柯克比(J.Kirkby)在《在歐洲核子研究中心建造τ-c工廠》(1)J.Kirkby，“A Tau-Charm Factory at CERN”, CERN EP/87- 210.一文中提議建造一臺質(zhì)心質(zhì)量為3—5GeV的電子對撞機，進行τ輕子和粲夸克研究，力圖“追上并超過北京對撞機”。這項情報一方面印證了在3—5GeV能區(qū)進行的τ輕子實驗具有極高的價值，另一方面也給BEPC盡早盡快開展研究拉響警報。

對于具體開展哪些研究，漆納丁認為除受BES分辨率限制不宜進行的τ輕子壽命外，開展τ輕子質(zhì)量、ντ質(zhì)量、τ衰變分支比、τ反常衰變道等研究都是可以的。尤其“測量τ輕子質(zhì)量是BEPC優(yōu)勢”，在τ質(zhì)量測量中，若采取在3.5—5.6GeV能量上分若干點，對τ事例在3π±一側(cè)的能量進行公式擬合的方式，將能“爭取在這個題目上為世界做出貢獻”。這也是適合“初出茅廬”的BEPC/BES的研究戰(zhàn)略，通過進行“重復前人實驗但精度超越前人”的實驗，可以“盡快在Regular Physics中取得成果”，“使自己建立信心，在別人心中建立信用，再爭取在Big Physics上取得突破”(2)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 6- 1。，故建議將τ質(zhì)量測量實驗提上日程。

1.2 國際學界對τ質(zhì)量測量的研究動態(tài)與關(guān)注

隨著我國成功建造對撞機的消息傳遍海內(nèi)外，國際上開始對BEPC/BES研究情況給予關(guān)注。1989年5月，鄭志鵬和漆納丁前往日本參加“KEK(日本高能加速器研究機構(gòu))正負電子對撞物理國際會議”，代表新建成的BEPC/BES登臺亮相并做設備陳述。報告中對目前國際上已經(jīng)進行的τ物理研究分析認為，雖然同能區(qū)MARKIII(美國)、DM2(法國)等實驗組解決了部分的物理問題，但“仍有許多有待BEPC和BES解決的問題或矛盾”。特別是1986年DELCO給出的τ三叉衰變分支比(3)可衰變的基本粒子在衰變時有確定的衰變分支比，這是基本粒子的基本屬性之一，它直接反映該粒子所參與的相互作用性質(zhì)以及這粒子和其他粒子之間的聯(lián)系。τ子衰變中，弱中間玻色子演變成其他粒子，演變成一個、三個、五個或七個荷電粒子的過程，稱為單叉、三叉、五叉或七叉衰變過程，某一種衰變方式所占的比率即衰變分支比。與世界均值差異懸殊，讓中國研究者產(chǎn)生了“DELCO文章中給出的主流的τ質(zhì)量測量值可能不準”的懷疑。而此時具備能量、束流優(yōu)勢的BEPC則“在τ質(zhì)量測量上具有無可比擬的條件”，BES也將“有機會解決這些問題”[15]。這是BES成員首次在國際上質(zhì)疑DELCO的τ質(zhì)量數(shù)據(jù)以及表達希望貢獻正確值的聲音。

面對國際上緊迫的τ質(zhì)量測量形勢，BEPC/BES創(chuàng)建者之一、時任高能所科技委副主任的葉銘漢研究員十分支持該項研究[12]，希望爭取盡早開展工作。1989年8月，葉銘漢和鄭志鵬一同前往美國出席了當年的輕子光子國際會議，共同報告了BEPC的狀態(tài)和研究計劃，并正式公布了BEPC/BES進行τ物理實驗的安排和預期，計劃安排包含6項內(nèi)容，其中第4項就是計劃在3.57GeV能量范圍內(nèi)至少獲取105個τ輕子事例[16]。

而此時，會上傳來消息，KEK的研究人員根據(jù)2×30GeV正負電子對撞機TRISTAN上的結(jié)果，結(jié)合PEP、PETRA(4)Positron-Electron Project，是位于美國斯坦福直線加速器中心的一臺正負電子對撞機。Positron-Electron Tandem Ring Accelerator，是位于德國電子同步加速器中心的一臺正負電子串聯(lián)環(huán)加速器。得到的軸矢量耦合比值仍與輕子普適性描述的存在差距，這說明檢驗輕子普適性仍是一個棘手的問題，τ相關(guān)參數(shù)的研究仍十分迫切。

1990年1月BEPC/BES正式運行，開始按原定計劃進行J/ψ取數(shù)(封二圖2(5)圖片摘自中國科學院高能物理研究所建所40周年圖片集。)，并在6月前取得了初步結(jié)果[14]。8月鄭志鵬出席于新加坡舉行的第二十五屆國際高能物理會議，這是中國代表第一次在國際高能物理全體會議上報告自己的物理工作，也正式向國際高能物理界宣告BEPC/BES的研究工作開始進入正軌并已產(chǎn)出成果。在場包括J粒子發(fā)現(xiàn)者丁肇中、ψ粒子發(fā)現(xiàn)者伯頓·里克特(Burton Richter，1931—)等專家紛紛向BES取數(shù)情況及J/ψ初步成果表示祝賀，高能領(lǐng)域開始熱切關(guān)注中國高能物理的發(fā)展并盼望有新的成果[17，18]。對此鄭志鵬在報告結(jié)尾宣布：“在明年底收集一千萬到兩千萬J/ψ事例后，BEPC束流能量將轉(zhuǎn)移到其他課題能量。BES預期將開展一些J/ψ衰變、τ-粲物理研究，預期不久將能在包括‘τ質(zhì)量和τ中微子質(zhì)量測量’等在內(nèi)的11個課題中做出顯著的貢獻。”[19]

1.3 高能所對τ質(zhì)量測量方案預估及方案

隨著國際學界對τ輕子物理關(guān)注的升溫，1990年9月在法國奧爾賽召開了第一屆“τ輕子物理討論會”，邀請國際上多個實驗室負責人和研究員就τ輕子研究進行討論，這對BES開展τ實驗是一個重要的交流機會，高能所派漆納丁前往參加。

此次會議上，漆納丁提出，在BEPC/BES已達預期參數(shù)并取得一定物理成果(即J/ψ研究)的基礎上，可以考慮開始進行τ輕子實驗。首先，相較其他同類加速器和探測器BEPC/BES開展τ物理研究具備優(yōu)勢：(1)BEPC具備本能區(qū)最高的亮度，而BES則能在較短周期內(nèi)積累大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)；(2)所有的非τ本底都可以通過τ對閾值下取數(shù)進行內(nèi)部校準；(3)τ對雙/單標記技術(shù)能夠支持無偏研究的優(yōu)勢。相應地，具體方案可以選擇包含近閾在內(nèi)的三個能量點來進行τ輕子實驗(表2)，即分別在3.57、3.68、4.2Gev上展開：

表2 漆納丁給出的BEPC/BES開展τ實驗選取能量點[20]

而由于τ質(zhì)量測量對τ中微子質(zhì)量測量、糾正τ理論壽命都有重要影響，又是其中極其重要的課題，此處，漆納丁給出了兩種可能的τ質(zhì)量測量方案：一是傳統(tǒng)的“大能量范圍掃描”法，二是采取“產(chǎn)生閾掃描逼近”法，并對效果進行了預估[20]。兩種方案受到了與會學者的高度關(guān)注。

值得注意的是，τ輕子的發(fā)現(xiàn)者馬丁·佩爾(Martin Lewis Perl，1927—2014)在得知中國物理學家提出精確測量τ輕子質(zhì)量的實驗設想并有初步方案后，現(xiàn)場與報告人進行了深入交談并表示將給予推動和支持[21]。

漆納丁回國后，隨即在10月的“全國粲粒子物理討論會”上再次就進行τ質(zhì)量測量的必要性和研究策略進行了說明。判斷BEPC/BES科研人員已經(jīng)于“加速器、探測器設備的制造、調(diào)試、把握上具有一席之地”，當下正是需要BES做出“具有‘領(lǐng)先水平’的物理成果”的時候，而mτ的測量則恰恰是突破口之一”。

1.4 國內(nèi)及美國的支持——BES國際化

除了國內(nèi)外各項會議上對τ質(zhì)量測量的積極討論外，BEPC/BES上開展研究的進程也得到了國內(nèi)外各方的關(guān)注和支持。

國內(nèi)方面，自對撞機建成之初周光召就提出：“高能所要著手研究如何從工程建造體制向運行過渡，研究逐步轉(zhuǎn)向開放的國家實驗室，吸引全國的科學家來工作，使加速器的使用效率得到更好的發(fā)揮。”[22]1991年9月國家計委正式批準成立北京正負電子對撞機國家實驗室并由專家組成立學術(shù)委員會[23]。為擴大力量，廣泛研究，1989年高能所成立了北京譜儀合作組(BES合作組)，先后有十余所國內(nèi)高校和研究機構(gòu)加入其中，壯大了BES開展高能物理研究的隊伍。

國際方面，《中美兩國高能物理領(lǐng)域合作協(xié)議》保證了北京正負電子對撞機的成功，也保證了后續(xù)BES在τ輕子物理方面研究的成功。1979年1月，鄧小平率中國政府代表團訪美期間，與美國簽訂了“在高能物理領(lǐng)域進行合作的執(zhí)行協(xié)議”，并成立了“中美高能物理合作聯(lián)合委員會”，由中國科技部主管部門與美國能源部及所屬五個國家實驗室共同組成，每年開一次會，制定落實和檢查每年的合作計劃，輪流在兩國舉行。同年6月，中美高能物理聯(lián)合委員會第一次在北京召開。中美高能物理聯(lián)合委員會的成立無論是在培養(yǎng)我國高能物理和高能加速器建設人才方面，還是引進先進技術(shù)與儀器設備方面，都發(fā)揮了重要作用[24]。

中美兩國學者積極接觸，由李政道與潘諾夫斯基率先提出了BES國際化，倡議將北京譜儀的合作擴展到世界范圍。對撞機建成不久后，李政道在與鄭志鵬的一次碰面中提議：“我與潘諾夫斯基商量過，建議讓一些感興趣的美國科學家參加BES合作，你認為怎么樣？”當時鄭志鵬正負責北京譜儀，此前在與周光召和所內(nèi)同事交流中也達成共識，認為美方的參與將促進BES物理成果獲得，于是馬上答應“非常歡迎!”[25]

1990年中美高能物理會議上首先對BES國際合作組成立做出決議，1991年5月“BES國際合作實驗組”正式成立，沃爾特·托基(W.Toki，科羅拉州州立大學)為合作組美方發(fā)言人。在高能所領(lǐng)導與國際學者共同努力下，包括斯坦福直線加速器中心(SLAC)等九所院校加入合作組，直接參與到BES的討論和工作中。國家實驗室的成立與BES國際合作組的組建為進行τ物理研究提供了更豐富的資源和更廣袤的平臺。

得益于此，1991年6月起合作組內(nèi)先后有勞倫斯·瓊斯(L.Jones，加州理工學院)、沃爾特·托基、弗蘭克·波特(F.Porter，加州理工學院)等美國學者來高能所調(diào)研交流，此外還通過報告或電話會議的形式在組內(nèi)進行有關(guān)τ質(zhì)量測量課題的討論。6月4日瓊斯在京報告了有關(guān)尋找τ質(zhì)量準確值的初步設想(6)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 7- 2。。7月26日，波特從美國發(fā)郵件詳細闡述對τ質(zhì)量精準測量的考慮，并就如何進行包括1—2周的機器調(diào)試和4—8周的實際測量的具體計劃進行了說明(7)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 7- 1。。在充分溝通后，美方研究人員表示同意和支持開展τ質(zhì)量測量，并且給測量方案提出了細化意見。

這期間美國研究者的加入對開展τ質(zhì)量測量起到了重要作用。一方面美國學者對中方初期的實驗策略和方案提出了一些設想和意見，對一些研究細節(jié)做出了有益的評判，豐富了中方的研究思路。另一方面，當時合作組內(nèi)成員對BEPC/BES下半年的物理計劃和運行能量有較大的分歧(8)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 1- 2。，這部分學者的意見對于開展τ課題研究是一個有利的支持，如前文提到的美國學者托基在6月給郁忠強的郵件中所說“我希望這項開展τ實驗的建議是一個好的選擇，也希望IHEP(高能所)的研究者們看到它的合理性”(9)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 7- 2- 1。。

1991年上半年國際上傳來消息：LEP上的三個實驗組對Z0衰變寬度的直接測量結(jié)果相繼公布，學界關(guān)于τ壽命過長問題的討論再次聚焦在輕子普適性正確性和τ數(shù)據(jù)測量準確性兩個僅剩的可能答案上。此外三個實驗組報告的τ壽命平均值結(jié)果為(3.13±0.13)×10-13s，相較1990年與理論值差距更大，進行τ質(zhì)量測量實驗也愈發(fā)重要和緊迫，國際上希望BES開展τ質(zhì)量測量的呼聲也日益增高[5]。

在內(nèi)部驅(qū)動和外部要求的情勢下，1991年6月20日高能所一室率先成立了τ質(zhì)量實驗準備工作小組。在中美雙方多次討論后，7月中旬BES合作組思想基本統(tǒng)一，確定于下半年首先開展τ質(zhì)量測量(10)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 1- 2。。7月底在瑞士舉行的國際輕子光子會議上，郁忠強代表BES合作組正式宣布合作組將于1991年10月的下一輪實驗中開始τ質(zhì)量測量[26]，這一計劃得到了會場內(nèi)外的眾多支持，斯坦福直線加速器中心的馬丁·佩爾和法國科學院院士達維耶(M.Davier)以及其他實驗室同行紛紛表態(tài)肯定BEPC/BES開展τ質(zhì)量測量的設想(11)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 1- 7。。達維耶還特意寫信托伯頓·里克特帶給所領(lǐng)導，呼吁在BEPC上優(yōu)先安排mτ質(zhì)量測量實驗[21]；李政道也在答復鄭志鵬意見時說“你們這個很好，這個跟基本理論的輕子普適性有關(guān)系，值得一測”(12)據(jù)丁兆君、王成等人2018年3月3日對鄭志鵬的訪談。。

2 實驗組織與準備工作

BES合作組內(nèi)各方意見統(tǒng)一后，有關(guān)τ輕子質(zhì)量測量實驗的組織和準備工作隨即展開。高能所對項目的整體策略與研究方案作了具體討論。首先要盡早開展實驗，獲取最大時間效應，同時要盡快做好能量刻度，提高BEPC/BES的數(shù)據(jù)總效率。在副所長鄭志鵬、室主任郁忠強領(lǐng)導下，李金、王泰杰、漆納丁、薛生田等人著手進行系統(tǒng)性準備工作，同時美方沃爾特·托基、弗蘭克·波特和勞倫斯·瓊斯也參與其中(13)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 1- 5。。

2.1 從四個方面開展準備工作

準備工作分四個方面展開：首先是在1991年7月20日成立了τ質(zhì)量測量物理分析小組，主要工作是對τ質(zhì)量測量進行可行性研究，并在之后逐步擴大到為全室的測量工作提供保障——針對基礎軟件、物理分析、實驗方案以及離線數(shù)據(jù)處理“在線化”方案等貢獻意見。其中由漆納丁和薛生田擔任小組正、副負責人，組員包括王平、馬東紅、姜志進，以及隨后陸續(xù)加入的胡濤、李玉山、張家文、王建春、朱啟明、姜春華等人。二是對BEPC/BES進行設備改造。高能所于1991年6月召開了BEPC亮度提高工作會[27]，決議利用三個月的停機時間對BEPC和BES進行檢修和改進，并組織各方開展工作：加速器方面，對直線加速器能量和儲存環(huán)性能進行了提升；BES探測器方面，主要由李金負責檢修和改進，保證探測器能夠適應高亮度下的運行。三是由王泰杰負責數(shù)據(jù)離線準備工作：基于τ質(zhì)量近閾掃描對數(shù)據(jù)處理速度的要求，對相應的篩選程序等進行了檢驗和修改；改善刻度程序和重建程序；確定τ取數(shù)期間快速數(shù)據(jù)處理流程并就可行性進行研究，以確保最大似然法指導近閾掃描的處理方式切實有效。四是與加速器配合的相關(guān)準備工作，相應進行了束流能量刻度，能散度及能量穩(wěn)定性測定，同時配合加速器將束流狀態(tài)參數(shù)記入磁帶(14)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 1- 2。。

2.2 τ質(zhì)量測量的物理分析

其中物理分析工作涉及范圍大且影響實驗整體走向，是整個準備工作中較為重要的一部分。如在1.4節(jié)中所述，高能所于1991年6月邀請瓊斯討論尋找τ質(zhì)量準確值的初步設想，瓊斯在在漆納丁報告參數(shù)的基礎上，更傾向三種測量方案中精度最高的似然函數(shù)法，以此估計實驗時長和精度：整個實驗時長在23天至多31天的范圍內(nèi)，精度在0.3MeV內(nèi)(15)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 7- 2。。此外，7月弗蘭克·波特從美國發(fā)來郵件，按照取得±0.5MeV總不確定度結(jié)果的目標從“反應截面”“束流能量”“機器亮度”以及“探測器分析”四方面給出了具體實驗要求。波特也認同瓊斯的方案，認為其能夠滿足尋找τ產(chǎn)生閾要求的效率、穩(wěn)定性、無偏差以及簡捷性幾個要點，但也保留了改進意見，認為“這并不意味著不存在更好的方案，在這一問題上繼續(xù)研究是值得的”(16)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 7- 1。。美方兩位學者給出的建議是以自身經(jīng)驗結(jié)合BEPC/BES狀況給出的，有益且實際，給物理分析小組后續(xù)的準備工作帶來了重要啟發(fā)。

在了解美方意見的情況下，高能所物理分析小組的準備工作從1991年7月到10月下旬完成。其中重點研究了近閾掃描方案中的二分法和似然函數(shù)擬合法，此項工作是在李金指導下，由姜志進、李玉山負責，其中高原寧也貢獻了建設意見。8月開始運行BES上的蒙特卡洛模擬程序TAUGEN，在技術(shù)和時間受限的情況下(17)指當時的BES軟件庫尚不能提供全套的本底Monte Carlo大型樣本，按照分析組的計算機能力、人力和時間要產(chǎn)生相應積分亮度的Monte Carlo本底樣本是無法實現(xiàn)的。，分析組利用已重建的500萬J/ψ事例模擬了mτ數(shù)據(jù)獲取處的連續(xù)譜本底，并通過多輪淘汰將本底事例壓低至滿足mτ實驗獲取要求的水平。隨后又確定了τ輕子對篩選程序，并于9月4日找到第一個eμ事例。

1991年9月12李金向高能所科技委匯報了實驗方案的研究結(jié)果，在整體實驗要求“精度高”和“對BEPC、BES條件要求不變”的原則下，陳述了相關(guān)三種實驗方案即傳統(tǒng)測量法、二分法(Binary Search)、最大似然法(Likelihood Search)研究情況(18)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 5- 6。，在最大似然法不成熟而二分法又有不可避免缺點的情況下，提出了創(chuàng)新性的實驗方案：“B- S- L法”(二分-逐點掃描-最大似然函數(shù)綜合法)，這一方案能夠有效規(guī)避以往兩種方法的缺陷，能提供良好的小于1MeV的精度的結(jié)果(19)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 6- 5。。

2.3 準備工作就緒

至此，物理分析小組準備工作基本完成，物理分析組在不到三個月時間內(nèi)基本回答了“BES能否開展實驗？”“如何開展？”“效果如何？”三個主要問題，為開展mτ測量打通了重要一關(guān)(20)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 5- 10。。

此時τ質(zhì)量測量實驗已是箭在弦上，故漆納丁在報告中又對mτ實驗緊迫性進行強調(diào)，于BEPC/BES價值，是“BEPC/BES的2億4花的值不值？‘值’需要一個有重大物理意義并具有世界領(lǐng)先水平的實驗物理結(jié)果”；對BES國際合作來說，“托基等人也需要向DOE證明加入BES合作組所花費的這筆錢是值得的”(21)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 5- 10。。

到1991年10月中旬，各方面準備工作大體就緒。經(jīng)過暑期的設備檢修，探測器性能趨于正常，觸發(fā)率有所提高。對J/ψ和ψ’數(shù)據(jù)的研究和蒙特卡羅的研究表明BES探測器的性能已經(jīng)滿足τ質(zhì)量測量的要求。對eμ事例的選擇程序，最大似然函數(shù)的擬合方法，本底研究也已就緒。離線數(shù)據(jù)的篩選、刻度和重建按新的流程實施，有關(guān)的程序準備完成，加速器的運行參數(shù)送入BES在線程序并可寫入磁帶(22)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 1- 2。。

3 立項和部署工作

1991年7月，國家自然科學基金委員會正式通過立項并接受項目申請。經(jīng)同行專家評議，同意“粲粒子物理τ輕子物理研究”[28]聯(lián)合申請項目召開評審論證會，意向批準其申報“八五”重大項目。項目內(nèi)容包含“τ輕子質(zhì)量精確測量”等，意見認為“申請項目所含七個課題的研究內(nèi)容明確，彼此緊密聯(lián)系，研究方案和技術(shù)路線先進、合理、可行”。

為向高能所科研管理部門說明課題性質(zhì)和實驗可行性，鄭志鵬、李金、漆納丁三人在1991年8月14、15兩日的評審會上向高能所科技委員會和國家實驗室學術(shù)委員會報告了有關(guān)BES進行τ質(zhì)量測量的情況，提交“τ輕子質(zhì)量精確測量實驗”的立項報告。

此前鄭志鵬曾向前任高能所學術(shù)委員會主任朱洪元(1917—1992)征求意見，朱洪元在BES建成后曾主抓對撞機的科研工作，面對突然轉(zhuǎn)做τ研究，朱表示需要考慮“1990年才開始得到的運行狀態(tài)，怎么一下要做這么難的工作？得要通過正常手續(xù)充分論證”。鄭志鵬遂向朱洪元解釋了τ質(zhì)量測量是BES的一個重要機會，朱洪元很快就理解和接受了建議，但要求“得要通過正常手續(xù)充分論證”(23)據(jù)丁兆君、王成等人2018年3月3日對鄭志鵬的訪談。。

考慮到J/ψ進展和國際上多年τ質(zhì)量測量情況，在1991年評審會前，委員們類似的擔憂也并未散去。此時合作組內(nèi)雖已與美方同行達成共識，但說服委員會也是一項挑戰(zhàn)，此次審查會報告正是要消除這種顧慮。

8月14日，鄭志鵬首先做了“關(guān)于mτ精確測量重要性的背景材料介紹”的總報告，指出進行τ物理研究的重要意義。強調(diào)開展mτ質(zhì)量測量課題不僅是重要的，而且是緊迫的，“BES是唯一能進行τ閾掃描的探測器”，“mτ測量是高能物理界近期關(guān)心的工作”且“輕子光子會議上也有許多學者建議做mτ測量”指示了明確的窗口，而對此中美BES合作已經(jīng)有了一些初步考慮和設想，預期也能取得優(yōu)秀的結(jié)果(24)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 1- 3。。

隨后李金解釋了實驗開展的可行性，結(jié)合設備現(xiàn)狀就τ質(zhì)量測量實驗對BEPC和BES的要求進行了說明。在對目前BEPC水平進行了估計后，綜合判斷“由于亮度、本底和絕對測量是主要因素，無意外情況下穩(wěn)定性是可以實現(xiàn)的”(25)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 1- 4。。最后由漆納丁匯報了τ質(zhì)量測量準備工作的進展，目前已經(jīng)完成的研究，提供了有效、可行、具體的實驗方案(26)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，內(nèi)部編號03.3.14- 1055- 1- 5。。初步確定在3.097—3.686GeV范圍內(nèi)獲取數(shù)據(jù)，放棄使用DELCO等使用的“大能量范圍截面公式擬合”方法，而利用“二分+似然函數(shù)逼近法”來保證速度和精度，此外取得的數(shù)據(jù)也能用之于傳統(tǒng)方法進行交叉檢查。

報告結(jié)束后，委員們對實驗風險、設備狀況、準備情況等提出了質(zhì)疑，部分委員還持否定態(tài)度。針對這些問題，項目組申請人進行了耐心的回答，承認實驗會面臨的困難，并詳細陳述了準備好的對應措施，最終委員會通過了鄭志鵬提交的申請報告[11]，確定項目名稱為“北京譜儀-τ輕子質(zhì)量的精確測量”，編號“運001”。高能所物理一室鄭志鵬、郁忠強任項目負責人，李金、漆納丁任課題負責人。課題資金來自“運001”的運行經(jīng)費和“τ-粲物理基金”經(jīng)費，預計一年五十萬元(27)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 1- 1。。

1991年10月25日高能所一室召開全體大會，對τ質(zhì)量測量實驗工作進行正式部署。領(lǐng)導小組由郁忠強、李金、王泰杰、張長春和漆納丁五人組成。郁忠強作為室主任負責全面工作，主持協(xié)調(diào)各項工作的進行，同時擔任BES合作組中方發(fā)言人；室主任李金負責BES的運行維修，管理經(jīng)費器材，并參加τ物理與分析組；副室主任王泰杰負責數(shù)據(jù)的離線工作，包括數(shù)據(jù)處理、刻度、重建工作，并負責和美方聯(lián)系，協(xié)調(diào)等工作；張長春擔任一室學術(shù)小組組長，擔任運行負責人之一；漆納丁擔任τ物理分析組組長，負責τ數(shù)據(jù)的物理與分析工作。全體會上，郁忠強進行了動員，再次強調(diào)了τ質(zhì)量測量的意義，根據(jù)實驗特點組織布置了流水工作(圖1)。整個τ質(zhì)量測量實驗相關(guān)的設備、研究人員都蓄勢待發(fā)，即將開始正式的測量實驗工作。

圖1 τ質(zhì)量測量實驗的工作結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

北京譜儀τ輕子質(zhì)量精確測量實驗的順利籌備與立項，首先是τ輕子質(zhì)量在物理學領(lǐng)域具有重要意義，關(guān)系到標準模型檢驗，有科學自身發(fā)展的內(nèi)部需要。而北京正負電子對撞機正處于適合的能級，具有很好的條件與時機，作為常規(guī)實驗，所需時間少、人力小，以BES當前分析力量不會感到過于沉重，開展把握大，所以特別適合BEPC/BES開展。而且，τ質(zhì)量測量一旦得出，立即能有“領(lǐng)先水平”(28)參見：中國科學院高能物理研究所科技檔案，2003.3.14- 1055- 6- 3。。τ輕子質(zhì)量測定是北京譜儀的首項實驗工作，是我國高能物理實驗突破性研究成果。雖重復前人實驗但精度超越前人，在“改革開放下的自力更生”方針下建造的北京正負電子對撞機使我國融入了國際高能物理界。

改革開放后，中美友好局勢下北京正負電子對撞機建設的成功，是中美合作的典范，中美合作是重要因素。1990年代開展的τ輕子質(zhì)量測量，繼續(xù)了這種友好合作，同時也體現(xiàn)了中國科學家的獨立思考。在當時國際前沿發(fā)展中得到了國內(nèi)外研究機構(gòu)的重視和支持，不僅有競爭，更多的是合作。在1990年代初剛結(jié)成的中美BES合作中，美方結(jié)合自身經(jīng)驗和BEPC/BES情況給出實際而中肯的意見，所提出的B-L法是中方實驗方案的重要參考和基礎。在中方對瓊斯發(fā)言總結(jié)稿中也可以看到，除了一些概念的注釋外，也出現(xiàn)了諸多例如“Binary法”一詞下標注“我們的方案可避免之錯”等中方的判斷和補充。這表明，在吸收和交流的基礎上中方自己的實驗方案正在逐漸完善。中方并未“照單全收”，而以“取其精華，去其糟粕”的方式處理。雙方合作交流中，美方能夠開誠布公，中方能夠取精用弘，為中方給出決定性、創(chuàng)造性、可行有效的實驗方案奠定了基礎。雙方合作組集思廣益，同心齊力，體現(xiàn)了國際合作精神。

在τ輕子質(zhì)量測量實驗計劃的籌備中，面對北京譜儀研究工作初入正軌、開展mτ測量存在質(zhì)疑聲音的情況下，高能所以鄭志鵬、漆納丁等為代表的研究人員能夠敏銳發(fā)現(xiàn)科研契機并執(zhí)力爭取，保證了籌備與立項順利完成。另外，籌備工作提供了可行方案、軟硬件基礎和明確的工作規(guī)劃，不僅實驗人員，經(jīng)驗豐富的老一代的理論物理學家也投入其中，為以后τ輕子質(zhì)量測量的正式實驗打下基礎，并相應儲備了研究工作人員，也培養(yǎng)了一大批高能物理科學家與技術(shù)工作者。

致 謝感謝中國科學院高能物理研究所原所長鄭志鵬研究員接受訪談并對我們的工作給予大力支持，感謝中國科學技術(shù)大學丁兆君副研究員組織并指導訪談，感謝中國科學院高能物理研究所科技檔案室惠允查閱檔案材料!文章內(nèi)容曾在2019年8月26日“中華人民共和國科學技術(shù)七十年學術(shù)研討會”上匯報，得到與會人員的反饋建議，在此一并感謝！