震驚國際——精確測量τ輕子質量

BES-I運行的頭幾年，國際粒子物理界有一個吵了很久的問題：τ輕子的質量到底是多少？

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τ是什么？

τ輕子是電子的“重表哥”。我們知道電子，它是最輕的帶電粒子之一。但電子還有兩個“表哥”——μ子和τ子，一個比一個重。τ子是最重的那個，屬于第三代輕子。

爭吵的點在測量上。在BES-I之前，全世界各個實驗組測出來的τ輕子質量都偏高，而且誤差很大。高到什么程度呢？高到讓一個很基本的理論假設都出了問題。這個假設叫“輕子普適性”，意思是三代輕子——電子、μ子、τ子——雖然質量不同，但其他性質應該是一樣的。如果τ輕子的質量跟理論預言差太多，那這個假設就不成立了。

這可不是小問題。輕子普適性是標準模型的基石之一。如果它不成立，整個理論框架都要動搖。

全世界的實驗組都在測，但誰也測不準。

BES-I用了一個國際上沒人用過的方法：在τ輕子對產生的能量閾值附近做精細掃描。這個方法是國際首創的。

你可以想象成調收音機，收音機搜臺的時候，不是一下子擰到底，而是一點一點地挪，找到信號最強的那個位置。BES-I做的事差不多：它不是在某個能量點上測一次，而是在τ輕子對質心系能量閾值附近，一點一點地掃，精確測出產生截面隨能量變化的曲線。從這條曲線里，就能把τ輕子的質量算出來。

τ質量測量結果(左)以及對輕子普適性檢驗的貢獻(右)

圖片來源：中國科學院高能物理研究所網站

結果出來了：1776.9±0.7MeV，比當時世界平均值低了7.1MeV，精度提高了大約10倍。這個數字一公布，輕子普適性的爭議直接消失了。不是理論錯了，是之前測得不準。《粒子數據手冊》后來把這個結果收錄為τ輕子質量最精確的測量值之一，精度保持了十幾年。

這是中國人第一次在粒子物理的核心測量上，拿到了世界第一的結果。

為后來發現希格斯粒子鋪路

BES-I還干了另一件大事：精確測量了R值。

R值聽起來很抽象，其實說白了就是一個數——在不同能量下，正負電子對撞能產生多少強子。

強子是什么？就是一切參與強相互作用的粒子的統稱。你最熟悉的強子是質子和中子，它們就在你的原子核里。但強子不止這兩個，還有很多很多種，都是夸克和膠子被強相互作用"粘"在一起形成的復合粒子。

R值本質上反映的是：在當時的能量下，有多少種夸克可以被"創造"出來。這個數如果測不準，理論計算就跟著不準。理論算不準，后面所有的預言都會偏離。打個比方，R值就像一把尺子，理論家用這把尺子去量各種東西。尺子本身不準，量出來的結果全都不可信。

在BESⅠ之前，2–5GeV能區R值測量精度僅15%–20%，誤差較大。BESⅠ將精度提升至7%–8%；后續BESⅡ進一步提高至6.5%。

這個精度有多重要？

2012年，歐洲大型強子對撞機發現了希格斯粒子。希格斯粒子的質量大約是125GeV，理論預言它的產生概率和衰變方式，都需要用到R值。如果R值的精度不夠，理論預言的范圍就會很寬，發現希格斯粒子的難度就會大很多。BESⅠ的R值測量，為后來的發現起到了關鍵的支撐作用。

希格斯玻色子Higgs boson

圖片來源：中國科學院高能物理研究所網站

做這些到底有什么用？

萬維網就是1989年歐洲核子中心的物理學家為了共享數據發明的，光這一項的經濟產出就超過了全球粒子物理投入的總和；質子和重離子束可以精確殺死腫瘤，副作用遠小于傳統放療，全球數萬臺加速器中，大量用于醫療；同步輻射光源能測定藥物分子結構，過去30年約一半的化學和醫學諾貝爾獎都跟蛋白質結構有關，而測結構主要靠同步輻射；機場安檢設備、工業無損檢測、食品輻照保鮮，這些日常技術全都源自高能物理；中子散射能穿透數厘米厚的鋼材，用來檢測高鐵車輪、大型工件內部裂紋，是工業上非常成熟的技術。

歐洲大型強子對撞機

圖片來源：中國科學院高能物理研究所網站

還有一層暫時看不到、但決定未來的價值。萬維網、并行計算等技術，最初因高能物理數據處理需求而誕生；大數據、AI、量子計算的發展也長期受益于高能物理實驗的算力與算法挑戰。現在國內新一代高能物理實驗每年產生數百PB數據，直接推動了AI和量子計算的研究。

但BES-I最大的意義，可能還不是這兩個成果。

1991年，BES國際合作組成立。最初中國60多人、美國20多人，后來擴展到十幾個國家近500人。中國從“跟班學習”變成了“牽頭組局”。這是中國主導的第一個國際大科學實驗。

在這之前，中國的粒子物理學家參加國際合作，角色基本上是“學生”——別人設計實驗，你來幫忙取數；別人分析數據，你來幫忙算。發表文章的時候，名字排在后面，話語權幾乎為零。

但BES-I改變了這件事。探測器是中國造的，加速器是中國建的，數據是中國團隊采的。國際同行想用這些數據，自然得跟中國合作。話語權就是這么來的——不是爭出來的，是干出來的。

1988年BES-I建成那天，鄧小平去參觀了這臺機器。他在探測器前站了很久，看著那些層層疊疊的部件，說了一句后來被反復引用的話：

“過去也好，今天也好，將來也好，中國必須發展自己的高科技，在世界高科技領域占有一席之地。”

四年打底，三十年接棒

BESⅠ運行7年后，設備逐漸老化，進入升級階段。

1997年，BES-II接棒。它升級了4個子探測器，把R值精度進一步提高到6.5%，還在τ-粲物理區做了大量精確測量，一直運行到2008年。

2009年，BES-III上線。這一次是全新的設計：超導磁鐵、全吸收量能器、更精密的粒子鑒別系統。BES-III發現了X(2370)等一系列新粒子，在國際上引起了很大關注。

2026年，BES-III剛完成亮度升級，還在運行。它是目前世界上唯一在τ-粲能區運行的高亮度對撞實驗。

北京譜儀

從BES-I到BES-III，三十多年過去了。當年那臺500多噸的大家伙，打下的底子、培養的人才、建立的國際合作模式，一直延續到今天。中國高能物理的后來人，很多都是從BES-I那個團隊里走出來的。

BES-I的故事其實很簡單：條件有限，周期緊張，卻用數年運行拿到了世界級成果。它讓中國從高能物理的旁觀者，變成了參與者。

未完待續

BES-I實現了中國高能物理的里程碑突破，憑借獨創測量方案精準校準τ輕子質量、提升R值測量精度，夯實了粒子物理標準模型基礎，助力希格斯粒子探測研究。同時它讓中國高能物理告別國際跟跑，站穩世界前沿，為我國高端科研發展奠定了堅實基礎。

如果說BES-I是中國探索微觀極致的科研突破，那C919就是中國深耕高端制造的藍天答卷。打破海外技術壟斷、突破重重卡脖子難題，國產大飛機的逆襲之路滿是榮光。下篇帶你見證C919的騰飛傳奇！

參考文獻

《中國科學報》2019-09-09第1版

《中國大百科全書》第三版網絡版

中國科學院高能物理研究所網站

中國核技術網

圖片來源

《科技文物里的中國》

組編：中國科學家博物館組編

出版單位：中國科學技術出版社

出版時間：2026年2月

微信號丨大美科學