“超級對撞機”有了新眉目 三年完成《概念設計報告》

11月14日下午，大型環形正負電子對撞機（CEPC）研究工作組正式發布了CEPC的《概念設計報告》。

2012年，中國高能物理學家提出 CEPC 計劃。

由於身材龐大，CEPC被很多人稱為“超級對撞機”。同時，因為耗資巨大，它也曾多次掀起物理學界爭議。

項目的支持者認為，超級對撞機將使中國成為世界物理學研究中心，並促進工業技術發展；反對者認為這台對撞機將成為耗資巨大的無底洞，性價比不高。

“最早出現爭議的時候，我們的爭議還沒有一個明確的對象，現在《概念設計報告》出來了，這為將來的討論提供了基礎，我們希望未來關於CEPC的決策可以立足科學問題。”CEPC機構委員會主席高原寧在接受《中國科學報》記者採訪時說。

在爭議中推進的“希格斯工廠”

2012年7月4日，在歐洲核子研究中心（CERN）的加速器大型強子對撞機（LHC）上工作的超環面儀器（ATLAS）和緊湊繆子線圈（CMS）兩個實驗同時觀測到了希格斯粒子。

希格斯粒子又被稱為“上帝粒子”，因為它將品質賦予了已知的所有基本粒子。

然而，依據現有的粒子物理標準模型，人類還無法計算或預言希格斯粒子本身的品質。

在觀測到希格斯粒子之前，人們一直以為需要將兩個粒子的能量提升到很高才能對撞出希格斯粒子，但是，2012年的那兩個實驗讓人們意識到，觀測到希格斯粒子所需要的能量比預期要小，只有約1250億電子伏特（125GeV）。

於是，下一代正負電子對撞機發展的新思路誕生了——可以建造能量較低、實驗環境更為乾淨、性價比更高的正負電子對撞機，大量產生希格斯粒子，形成“希格斯工廠”，進而對希格斯粒子進行系統研究，並發現新的物理現象和物理規律。

當全世界為觀測到希格斯粒子歡呼時，2012年，中國高能物理學家提出了CEPC計劃，並啟動了該項目的預研，團隊用兩年多時間發布了《初步概念設計報告》。

然而，就在《初步概念設計報告》發布後不久，CEPC引發了物理學界的廣泛爭議。

諾獎得主楊振寧的《中國今天不宜建造超大對撞機》將爭議引向高潮。

楊振寧認為造巨型對撞機是“進無底洞”；建造花費巨大，將會影響其他基礎科學的發展；高能物理要發展不一定要靠造巨型對撞機，也有不費錢且符合世界經濟發展趨勢的途徑等。

之後，CEPC團隊用了三年時間，正式完成了《概念設計報告》。

“《初步概念設計報告》之所以是‘初步’，就是因為有一些設計沒有達到預期指標，但是《概念設計報告》意味著CEPC已經可以在理論層面達到預期指標了。”CEPC機構委員會副主席、中國科學院高能物理研究所研究員高傑告訴記者。

他表示，接下來，CEPC項目團隊將以《概念設計報告》為基礎，完成關鍵技術預研，計劃於2018年至2022年間建成一系列關鍵部件原型機，驗證技術和大規模工業加工的可行性。

“這項工作的嚴肅性在全世界引起了越來越多的關注，並為下一步的《技術設計報告》和工程設計以及未來建設計劃時間表的可行性奠定了良好基礎。”台灣大學教授、亞洲高能物理委員會主席侯唯恕說。

一個耗資300多億的“大圈”

按照概念設計，CEPC將是一個埋在地下100多米處的周長100公里的“大圈”，至少會有兩台探測器同時進行科學實驗。

中國科學院高能物理研究所研究員阮曼奇介紹，CEPC以秦皇島地質結構為參考，進行了概念設計研究，預期於“十四五”開始建設，並於2030年前竣工，預估大約將耗資300多億人民幣。

這個“大圈”由兩大部分組成，一部分是加速器，另一部分是探測器。

阮曼奇介紹，加速器主要負責產生正負電子並加速，最終精確聚焦對撞、製造極端環境，產生具有科學研究價值的物理事件。

加速器的主要組成部分是一個小型直線加速器和一個與對撞儲存環同樣長度的增強器，把正負電子的能量提高到研究所需的值。能量達到研究所需後，粒子就會送入兩個儲存環進行對撞。

探測器則相當於可以高速、高精度拍照的立體顯微鏡，由多種不同的子探測器組成，用來記錄帶電和不帶電的各種微觀粒子。

同時，這個“照相顯微鏡”也會採用最新的軟體技術，與最新的大數據、機器學習等發展緊密相關。

在設計CEPC大致模樣的同時，研究團隊還規劃了前10年的實驗內容。

最初的7年內，CEPC將在質心能量2400億電子伏特（240GeV）處運行，以研究希格斯粒子。

隨後2年，CEPC將在910億電子伏特（91GeV）處運行，以研究Z玻色子和重味物理。

另外一年時間，CEPC計劃在1600億電子伏特（160GeV）附近研究W玻色子物理。

而在這10年後，CEPC 未來可能發展方向之一是更新為一個超級質子—質子對撞機（SppC），質心能量將達到100兆電子伏特（100TeV），以便在大範圍內直接尋找新的物理現象和物理規律。

阮曼奇介紹，在為期十年的實驗計劃中， CEPC將生產超過100萬個希格斯粒子，此外還將生產1億個W玻色子和近1兆個Z玻色子。

“CEPC計劃與國際稍早的國際線性對撞機（ILC）、緊湊型線性對撞機（CLIC），以及同時期的未來環形對撞機（FCC）項目處於競爭地位。”阮曼奇說。

等待國家支持

在《概念設計報告》的扉頁，可以看到很多國內外科學家的簽名。

“簽名者一部分是參與報告研究和撰寫的人，還有一部分是支持並有意願參與CEPC研製工作的人。”高原寧說。

在高原寧看來，CEPC的首要物理目標是深入研究希格斯粒子的性質，從而探索高能物理面臨的重要問題，國際科學界參與CEPC研製的興趣越來越濃厚，也正是因為這樣的科學目標具有重要意義。

“國際高能物理界非常希望參加 CEPC 的研發和將來的科學實驗，這將會大大促進人類對物質最基本組成單元的進一步理解。”國際未來加速器委員會和亞洲未來加速器委員會主席、墨爾本大學教授Geoffrey Taylor說。

高原寧告訴記者，目前國家在立項方面還沒有給出明確的信號，科學家們期待著以政府間合作的形式推動CEPC的預研和建設。

CEPC 指導委員會主席、中國科學院高能物理研究所所長、中國科學院院士王貽芳表示，對於中國的高能物理來講，這是一個絕佳的歷史機遇，一方面，該方案可以進一步理解希格斯粒子的性質、宇宙早期演化、反物質丟失、尋找暗物質、真空穩定性等一系列未解的關鍵科學問題和尋找新的物理規律，另一方面，中國可以通過努力建成自己的希格斯工廠和國際領先的“創新合作平台”，成為該領域全世界的領跑者。

《中國科學報》 (2018-11-15 第1版 要聞)

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