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“葛院士反對建大加速器的論據,我不同意”

科技日報記者 李大慶

科學論爭

日前,科技日報刊登了對南開大學葛墨林院士的專訪《“中國不應建大加速器”》(下稱《葛文》),葛院士表明了反對中國建造大型環形對撞機的立場。中科院高能物理所研究員阮曼奇對科技日報記者說:葛院士的論述中存在一些事實性的錯誤和值得商榷的觀點。

阮曼奇2008年獲清華大學及巴黎十一大學粒子物理博士學位。其後在歐洲進行粒子物理和大型對撞機的研究。2013年返回中科院高能所,負責大型環形正負電子對撞機的模擬和探測器設計研究。

問:葛院士的論述中有事實性的錯誤嗎?

答:是的。葛院士在專訪中說:加速器的核心技術是強磁場。歐洲的大型強子對撞機(LHC)能夠建成是因為歐洲有這種磁場技術;而國內的超導磁場技術做不出這種強磁場,造出環形正負電子對撞機(CEPC)所需的強磁場還需要理論、材料上的突破。

其實,中國的CEPC並不需要歐洲LHC那種(低溫超導)強磁場技術,使用低場、常規電磁鐵即可。LHC採用了80000高斯的強磁場、以確保在27公里周長的主環中可以約束住能量為7TeV的質子束流。CEPC的周長增加了近4倍,而其束流能量(120 GeV)卻只有LHC的約1/60。因為環形對撞機上需要的偏轉磁場強度是和帶電粒子能量成正比的,但卻和軌道半徑成反比。

因此,中國CEPC主環偏轉磁鐵磁場強度只有LHC上的1/200,約為300—400高斯。這在去年發布的《CEPC概念設計報告》中已有說明。此外,北京正負電子對撞機上的偏轉磁鐵強度大約在2000—8000高斯,而且早就實現了量產。

即使未來CEPC可能升級到超級質子對撞機,需要200000高斯的強磁體技術,我們也有應對。中科院電工研究所與高能所合作,研製出基於多芯鐵基超導線材的高場內插超導線圈,為性能更高、製作工藝簡單的下一代高場超導磁體技術開創了一條可行的新路徑。

問:就這一點事實性的錯誤嗎?

答:還有。葛院士指出中國CEPC的造價估算中不包括基建費用。事實上,在目前360億元的CEPC造價估算中,已經計入了30%的隧道和土建費用。所有由正式渠道公布的CEPC造價都包括了隧道和土建的費用。葛院士說日本政府剛宣布砍掉國際超高能直線對撞機中心(ILC)項目。其實,ILC並未下馬,只是對是否承建ILC,日本政府延期做出決定。

問:您認為《葛文》中有些觀點值得商榷?

答:是的。葛院士認為可以通過宇宙射線發現高能區的新物理,並舉出“悟空”衛星發現的1.4TeV的例子加以佐證。

的確,宇宙射線在粒子物理發展的早期起到了重要作用。通過高空氣球等探測方式,人們發現了繆子以及一系列強子。宇宙線實驗不需要建立昂貴的對撞機,只需要守株待兔地等待物理信號,但它無法準確控制物理信號的產生,同時存在著信號事例數低以及信噪比難以控制等局限。

隨著加速器技術的不斷進步,宇宙射線實驗已不再是粒子物理研究最有效的實驗方法。半個世紀以來,粒子物理的絕大部分進展,無論是新粒子的發現還是標準模型的確立,都是通過加速器實驗實現的。而葛院士提到的“悟空”衛星觀測到的1.4TeV的新粒子跡象,到目前為止還未被任何其他實驗所證實。國際上CALET合作組在2018年發表文章明確指出:“並未在1.4TeV附近發現明顯的窄峰”。這和“悟空”衛星的觀測結果完全不同。

問:還有什麽葛院士的觀點您不能同意?

答:葛院士還指出:“高能物理發展到現在,具有工程特點,理論上一定要特別清楚:要找什麽?預計是什麽樣子?否則不值得投錢。”他說:“LHC就是明確要尋找希格斯粒子(因此才獲得資助)。”這些觀點我不讚同。

大科學工程是否獲得資助,取決於其科學目標、可行性及對工業技術、文化經濟的帶動等等。具有清晰的理論預言並不是大科學工程獲得資助的必要條件。比如,嫦娥工程和人類基因組計劃,就很難說有什麽清晰的理論預言;而科學史上無心插柳的重大發現也比比皆是。比如宇宙微波背景異塵餘生的發現、日本神崗超新星中微子信號的發現等等。

歐洲LHC的科學目標不僅僅是發現希格斯粒子。在建設LHC的決策中,關鍵性的科學因素是因為當時的標準模型存在著理論上的巨大困難:理論預期在100GeV—1TeV的能標上要麽存在希格斯粒子,要麽存在超出標準模型的新物理。LHC發現了希格斯粒子,確定了標準模型在目前可觀測能標下的成立,起到了從大量物理理論中去偽存真的作用。

歸根到底,物理學是實驗科學,不僅是對理論證偽的手段,也能帶來前所未有的新的觀測、新的數據,為理論的發展提供關鍵性線索和知識。

在採訪中,阮曼奇特別對記者強調,目前人類對粒子物理的標準模型仍是知其然而不知其所以然。標準模型有著簡單優美的數學結構,但人類並不理解自然為何選擇這樣的數學結構;標準模型有大量的自由參數,其取值決定了宇宙的面貌,但人類也不理解自然界為何選取了目前的參數。標準模型雖然在對撞機的實驗中獲得成功,但無法完美解釋一系列重大問題,包括為何標準模型粒子質量相差巨大、在物質起源上為何宇宙中物質比反物質多、中微子質量從哪裡來、暗物質和暗能量的本質是什麽等等。

阮曼奇認為,對上述任何一個問題的解答都意味著基礎物理學的重大突破。圍繞上述問題,人們提出了大量的新物理模型,急需新的實驗數據用於去偽存真。能準確測量希格斯粒子性質的對撞機將是探索上述問題、尋找標準模型背後更為基礎的物理規律的絕佳手段。“全球高能物理學界倡議了大量的新型對撞機,其中中國的CEPC具有科學潛力巨大、技術相對成熟、項目造價相對低廉、時間進度可控的顯著優勢,有望實現重大突破。”

來源:科技日報

編輯:嶽靚

審核:管晶晶

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