BESI“τ輕子質(zhì)量精確測量”的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)生在1991年秋至1992年冬。1992年向國內(nèi)外宣布了實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果。最初在1992年11月的PRL（PhysicsReviewLetter）發(fā)表，以后在1996年的PRD（PhysicalReviewD）上發(fā)表了最終的物理結(jié)果。要知道PRL和PRD都是粒子物理界頂尖的學(xué)術(shù)刊物。為了能讓我國的物理成果能在國內(nèi)更早的時(shí)間發(fā)表，我特意用中文撰寫了“在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）上的τ質(zhì)量實(shí)驗(yàn)測量”一文，1992年10月刊登在我國的學(xué)報(bào)“高能物理與核物理”上。這一實(shí)驗(yàn)測量不僅將精度提高了近一個(gè)量級(jí)，更重要的是發(fā)現(xiàn)了以前的實(shí)驗(yàn)測量有重大偏差，從而在解決粒子物理的重要物理原理——“輕子弱作用的普適性原理”的危機(jī)中起到了關(guān)鍵作用，也更促進(jìn)了τ輕子衰變壽命及衰變分支比的進(jìn)一步研究。這一實(shí)驗(yàn)成果震動(dòng)了國際高能物理界，成為1992年國際高能物理領(lǐng)域最重要的成果之一，其τ輕子質(zhì)量的數(shù)據(jù)被權(quán)威的《粒子數(shù)據(jù)手冊》所采納，并保持20多年的領(lǐng)先地位，直到2014年BESⅢ發(fā)表最新的τ輕子質(zhì)量測量結(jié)果。論文被上百次地引用，測量方案也被西歐核子中心（CERN）所采納，實(shí)驗(yàn)得到國際高能物理界的廣泛贊譽(yù)和高度評(píng)價(jià)，一舉讓中國在高能物理實(shí)驗(yàn)研究中占有了重要的一席之地。一時(shí)間“τ輕子質(zhì)量測量實(shí)驗(yàn)”成為“BES實(shí)驗(yàn)”的代名詞。不少高能物理界的同行是從“τ輕子質(zhì)量測量”知道北京譜儀BES的。特別得到了李政道先生的稱贊，李先生稱：“這是最近一段時(shí)間高能物理領(lǐng)域最重要的實(shí)驗(yàn)成果之一”。法國科學(xué)院院士M.Davier，國際τ物理方面的專家，知道我們的物理結(jié)果后非常高興，特地寫信給我，高度評(píng)價(jià)了我們的實(shí)驗(yàn)成果，祝賀我們的成功，這讓我感到無比的興奮，也為我作為BES一員而無比榮幸。在國內(nèi)，該研究項(xiàng)目獲得了1992年中科院自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，1995年國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)和1993年中國物理學(xué)會(huì)吳有訓(xùn)物理獎(jiǎng)。被評(píng)為1992年中國十大科技新聞之一和十大科技成果之一。
作為BES一員的我，負(fù)責(zé)并參與了該實(shí)驗(yàn)研究的整個(gè)過程，至今歷歷在目，為成功的實(shí)驗(yàn)而自豪，更要為BEPC/BES的成功實(shí)驗(yàn)點(diǎn)贊。
1.正確的選題，及時(shí)地抓住機(jī)遇
BES是一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)裝置，可以進(jìn)行研究的課題很多，但必須選取意義重大，科學(xué)界共同關(guān)心并影響廣泛而深遠(yuǎn)的領(lǐng)域或課題。
1991年6月，我到法國Orsay參加由Orsay研究所所長M.Davier組織的“第4屆國際重味物理研討會(huì)”，在會(huì)上做了關(guān)于BEPC/BES的物理研究的報(bào)告，題目為“BESresultsonJ/ψdecayintoγK+K–和ωπ+π–”。在向國外高能物理界介紹BEPC/BES的同時(shí)，我在會(huì)上了解到國際高能物理界對(duì)精確測量τ輕子質(zhì)量的迫切要求，認(rèn)識(shí)到測量τ輕子質(zhì)量的重要意義，也深深感受到高能物理界對(duì)我們BEPC/BES的希望?；貒笪揖腿硇牡赝度氲?/span>τ輕子質(zhì)量測量的工作中。在那個(gè)時(shí)期，國際上對(duì)τ輕子的壽命和衰變分支比做了大量的實(shí)驗(yàn)測量，特別是西歐核子中心（CERN）的幾個(gè)重要實(shí)驗(yàn)組的出色工作，獲得到了一批有關(guān)τ輕子壽命和衰變分支比新的結(jié)果。然而，依據(jù)當(dāng)時(shí)人們認(rèn)可的τ輕子質(zhì)量測量數(shù)據(jù)，這三者之間的關(guān)系有很大的矛盾。如果不是τ輕子的質(zhì)量不對(duì)，就一定是“τ輕子弱作用普適性原理”有問題，一時(shí)間粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型理論的“普適性原理”出現(xiàn)嚴(yán)重危機(jī)！為應(yīng)對(duì)這一重大原理的危機(jī)，人們對(duì)以前的τ輕子質(zhì)量的測量提出質(zhì)疑。當(dāng)時(shí)，正在運(yùn)行的BEPC和BES是唯一有可能對(duì)τ輕子質(zhì)量進(jìn)行絕對(duì)測量的裝置。國際高能物理界自然都把目光投向了我們。M.Davier教授就是其中的一位，當(dāng)正在高能所訪問的M.Davier知道我們計(jì)劃并準(zhǔn)備進(jìn)行τ輕子質(zhì)量的測量時(shí)，在負(fù)責(zé)BEPC運(yùn)行的負(fù)責(zé)人于鴻璇陪同下特地找到我，一方面表達(dá)了他對(duì)τ輕子質(zhì)量測量的關(guān)心，另一方面，仔細(xì)地向我了解測量方案和可能達(dá)到的測量精度，并十分滿意我們的準(zhǔn)備工作。當(dāng)然也提出了他對(duì)實(shí)驗(yàn)的一些考慮并預(yù)祝我們實(shí)驗(yàn)?zāi)苋〉贸晒Α?/span>
經(jīng)BES合作組內(nèi)及高能所內(nèi)各種類型研討會(huì)的深入討論，深刻分析了測量的困難，解決的方案，特別是提高測量精度的可能性和可行性等。果斷決定暫時(shí)中斷部分原計(jì)劃的課題研究，從1991年下半年開始，將BEPC轉(zhuǎn)向τ輕子質(zhì)量能區(qū)，將BES力量集中到τ輕子質(zhì)量的測量上。歷史證明，當(dāng)時(shí)的決定非常正確，非常及時(shí)。抓住了歷史的機(jī)遇，抓住了BES在高能物理領(lǐng)域可能占有一席之地的機(jī)遇。
2.充滿信心與決心，敢于迎接挑戰(zhàn)
τ輕子是一種壽命極短的粒子，必須人為地在正負(fù)電子對(duì)撞中產(chǎn)生，同時(shí)又要通過探測它的衰變產(chǎn)物來“抓住”它，最后還要設(shè)法精確地測量它的質(zhì)量，
顯然不是一件容易的事。從幾個(gè)方面可以看到其困難程度：
（1）τ輕子的壽命極短（10–13秒）不可能在自然界獲得，但可以在正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上產(chǎn)生。BEPC的能量正好可以產(chǎn)生τ輕子。但產(chǎn)生后又立即衰變，是“稍縱即逝”的粒子。另外，測量需要在剛剛能夠產(chǎn)生正反τ輕子對(duì)的對(duì)撞能量下進(jìn)行，也就是專業(yè)上的“閾”附近。然而這是產(chǎn)生τ輕子幾率最少的地方，在幾個(gè)月的時(shí)間里，盡管BEPC晝夜不停運(yùn)行，即讓正負(fù)電子不停地對(duì)撞，也只可能有幾個(gè)τ輕子能夠產(chǎn)生并探測到它。僅有幾個(gè)τ輕子粒子就能準(zhǔn)確測量其質(zhì)量嗎？
（2）τ輕子的質(zhì)量最終是由BEPC束流的能量來決定的。可是BEPC束流能量本身的彌散（也就是專業(yè)上稱的束流“能散”）就有3到4MeV，然而質(zhì)量測量的精度和不確定度至少要小于0.5MeV，僅為束流“能散”的十分之一。我們的BEPC對(duì)撞機(jī)能滿足實(shí)驗(yàn)的要求嗎？采取哪些手段或措施才能減少束流”能散”帶來的測量誤差？
（3）雖然實(shí)驗(yàn)要在產(chǎn)生正反τ輕子對(duì)‘閾’的能量下進(jìn)行，但我們并不知道這個(gè)‘閾’在哪里。如何在有限的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間能盡快地找到這個(gè)‘閾’，并在這一能量下高效地探測到τ輕子是這一課題的關(guān)鍵。我們能做的嗎？要知道，太長的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行也會(huì)因?yàn)?/span>BEPC或BES的穩(wěn)定性而帶來額外的測量誤差。
（4）獲得τ輕子質(zhì)量，必須要知道對(duì)τ輕子的探測效率，當(dāng)然，BES探測τ輕子衰變粒子的效率不可能是100%，而要想知道探測效率也不是一件很容易的事情。特別是在閾值附近，不可能利用探測到的幾個(gè)事例獲得精確的效率。如何精確地知道τ輕子的探測效率？也是很大的挑戰(zhàn)。
由于以上的困難，一些人對(duì)做這樣的實(shí)驗(yàn)測量提出疑問是很自然的。為此，高能所還專門組織了好幾次論證會(huì)。還有一些人擔(dān)心，如果測量精度達(dá)不到十年前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如何面對(duì)國家，如何面對(duì)國際？勸我們不要冒這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。更有甚者，在實(shí)驗(yàn)測量開始的那天早上，我在BES值班室還接到規(guī)勸我的電話。希望不要冒這個(gè)險(xiǎn)，繼續(xù)將BEPC運(yùn)行在J/ψ穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)做沒有風(fēng)險(xiǎn)的J/ψ物理分析等。實(shí)際上，我們已經(jīng)分析了所有這些問題和困難，并仔細(xì)地做了模擬計(jì)算。我指導(dǎo)的學(xué)生李玉山做了詳盡的實(shí)驗(yàn)方案論證，考慮到幾乎所有的可能，預(yù)先給出不同積分亮度下、不同方案下可獲得的質(zhì)量精度，并發(fā)表了研究論文。我們的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)方案，不僅是成功地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，也增強(qiáng)了我們的必勝信心。
應(yīng)該指出，盡管做了大量的分析研究，提出了各種解決方案，但科學(xué)實(shí)驗(yàn)任然有失敗的可能，有達(dá)不到的預(yù)期結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)。這時(shí)需要的就是決心了，有敢于負(fù)責(zé)，敢于承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，才能最后有勇氣迎接挑戰(zhàn)。
3.只有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)和成果才能走向世界
在τ輕子質(zhì)量測量中，我們深深地體會(huì)到，有了抓住機(jī)遇的決心和敢于迎接挑戰(zhàn)的信心還不夠，必須有一系列的創(chuàng)新方案和措施才能發(fā)現(xiàn)原來實(shí)驗(yàn)的偏差，才能將精度大幅度提高，才能獲得世界一流的成果。
我們將數(shù)據(jù)分析中的最大似然法應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中，物理專業(yè)中稱之為“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”（DataDriven）。這一方法的應(yīng)用確保了我們沿正確的方向去尋找產(chǎn)生τ輕子的‘閾’，而且加快了逼近這個(gè)‘閾’的速度。
當(dāng)然，好的實(shí)驗(yàn)方案，如果不結(jié)合具體情況，不考慮對(duì)撞機(jī)和探測器的實(shí)際，也不可能達(dá)到預(yù)期結(jié)果。我們做了大量模擬研究，將BEPC和BES的各種參數(shù)與創(chuàng)新的方案相結(jié)合，最后得到正確的實(shí)驗(yàn)方案。
雖然將數(shù)據(jù)分析中常用的“最大似然法”應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)運(yùn)行方案中，但也不完全依賴它。在實(shí)驗(yàn)中仍然充分發(fā)揮人的聰明才智，積極地對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行及時(shí)指導(dǎo)或者“干預(yù)”，從而大大減少了測量的統(tǒng)計(jì)誤差，克服了“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的不足。
圖1 李政道先生手中拿的“τ輕子質(zhì)量測量”的兩維擬合圖
在創(chuàng)新的方案之外，物理和數(shù)據(jù)分析中還采用了許多過去實(shí)驗(yàn)所沒有考慮的措施。例如，在理論計(jì)算中考慮到‘閾’附近正負(fù)τ輕子對(duì)之間的庫倫效應(yīng)；在實(shí)驗(yàn)中不僅注意到束流能量的彌散，而且考慮該彌散與束流強(qiáng)度，束流能量的關(guān)系；在數(shù)據(jù)處理中采用特殊的數(shù)據(jù)處理流程以保證“DataDriven”方案能順利地實(shí)施；為了克服BES探測器在實(shí)驗(yàn)測量中的不足，不能有效精確地測定積分亮度和探測效率，又采用了雙參數(shù)的擬合方法，取得了非常好的效果等等。圖1中李政道先生拿τ輕子質(zhì)量的圖就是為避免在效率和亮度測量不足而采用兩維擬合曲線的立體圖。
30多年過去了，現(xiàn)在回想起來好像實(shí)驗(yàn)就發(fā)生在昨天。在這創(chuàng)新的新時(shí)代，基礎(chǔ)大科學(xué)的研究中更要有新的擔(dān)當(dāng)，新的作為，敢于承擔(dān)，勇于創(chuàng)新，創(chuàng)新是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，只有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)研究才能獲得一流的科學(xué)成果。
（本文在“紀(jì)念北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)建成30周年有獎(jiǎng)?wù)魑幕顒?dòng)”中榮獲二等獎(jiǎng)。）
