大型對撞機的中國選擇

阮曼奇

1972年，我國政府和科學(xué)界面臨著一個重大選擇：是否建設(shè)大型對撞機。對撞機是現(xiàn)代物理研究的基礎(chǔ)設(shè)備，是研究物質(zhì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和相互作用的探針。二戰(zhàn)之后，近一半的諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給了與對撞機相關(guān)的研究成果。但大型對撞機需要各種高新技術(shù)的支持，耗資巨大，建設(shè)和操作難度極高。經(jīng)審慎討論，在中央政府和小平同志的全力支持下，北京正負(fù)電子對撞機（以下簡稱BEPC）在1984年開建，并于1988年10月實現(xiàn)首次對撞，迄今已有32年。此后，BEPC取得了一系列國際領(lǐng)先的優(yōu)秀成果，獲得了包括國家科技進步特等獎在內(nèi)的一系列大獎。

BEPC的建設(shè)過程分為2個階段：1984-2003年的BEPC-I，以及其后運行至今的BEPC-Ⅱ。BEPC-I解決了我國缺少高能對撞機的問題，是其能區(qū)內(nèi)性能最好的對撞機。它給出了包括R值測量、Tau輕子質(zhì)量測量、新強子態(tài)探測在內(nèi)的一系列重要成果，確立了當(dāng)時有巨大疑問的輕子普適性，在國際高能物理學(xué)界產(chǎn)生了巨大影響，是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的關(guān)鍵驗證之一。亮度升級后，BEPC-Ⅱ在國際競爭中再次成為其能區(qū)內(nèi)性能最好的對撞機，其代表性成果包括了四夸克態(tài)的發(fā)現(xiàn)、XYZ粒子族譜研究等。秉承一機兩用的理念，BEPC在進行高能物理前沿探索的同時，也奠定了我國同步輻射光源的基礎(chǔ)，為凝聚態(tài)物理、材料、生物、環(huán)境、地質(zhì)等方面的研究提供了條件和保障。2003年，非典型肺炎（SARS）疫情爆發(fā)時，BEPC光源首次測定了該病毒的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，為疫情的控制、應(yīng)對藥物的研發(fā)提供了關(guān)鍵信息。

由于當(dāng)時經(jīng)濟和技術(shù)條件的限制，BEPC并非那個年代最先進的對撞機，其能量只有當(dāng)時國際最高能量的1/20，周長只有1/100。但作為我國高能物理實驗研究的起點，BEPC不僅取得了大量國際領(lǐng)先的物理成果，而且也奠定了我國在相關(guān)技術(shù)和同步輻射光源方面的基礎(chǔ)。BEPC首次將互聯(lián)網(wǎng)、萬維網(wǎng)和網(wǎng)格計算引進國內(nèi)，也在技術(shù)創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化方面取得了一系列驕人成績，同時為我國高能物理學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界培養(yǎng)了大批人才。近年來，我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的四夸克態(tài)、五夸克態(tài)、新的中微子振蕩模式等成果屢屢在國際上被評為各種年度十大物理學(xué)進展，獲頒“基礎(chǔ)物理突破獎”等各種重大國際獎項。BEPC所在的中國科學(xué)院高能物理所，也成長為與費米、SLAC、KEK、DESY等實驗室比肩的全球著名高能物理實驗室。

時光荏苒，40年后的今天，憑借希格斯（以下簡稱Higgs）粒子發(fā)現(xiàn)的歷史機遇，我國科學(xué)家提出建設(shè)環(huán)形正負(fù)電子對撞機（CEPC）的倡議。與BEPC不同，CEPC是國際領(lǐng)先的對撞機，它將以超過歐洲大型強子對撞機（LHC）10～100倍的精度對Higgs粒子性質(zhì)等關(guān)鍵物理量進行測量，搜尋新物理的能標(biāo)將超過LHC的10倍以上。同時，它還可以被升級為能量超過LHC一個量級的質(zhì)子對撞機。CEPC瞄準(zhǔn)的是目前粒子物理領(lǐng)域最前沿、最核心的關(guān)鍵課題。一旦建成，它將成為全球高能物理研究的中心，必將吸引全世界最優(yōu)秀的一批科學(xué)家和工程師來華工作，同時作為龍頭項目帶動一系列國際最先進的核心技術(shù)的發(fā)展。與當(dāng)年BEPC的追趕和填補空白不同，CEPC將是引領(lǐng)，其意義和作用將大大超過BEPC。時間，讓我們走到了一個新的十字路口。

CEPC的科學(xué)目標(biāo)

CEPC的核心物理目標(biāo)是實現(xiàn)Higgs粒子的精確測量。同時，CEPC可精確檢驗“標(biāo)準(zhǔn)模型”，測量電弱物理和味物理，以及尋找新物理。

2012年，發(fā)現(xiàn)Higgs粒子是標(biāo)準(zhǔn)模型的巨大成功，至此，“標(biāo)準(zhǔn)模型”預(yù)言的粒子全部被找到，但標(biāo)準(zhǔn)模型很難被認(rèn)為是一個終極理論?！皹?biāo)準(zhǔn)模型”中存在大量自由參數(shù)，其內(nèi)部存在一系列的理論疑難，比如真空穩(wěn)定性問題、自然性問題等。同時，在對撞機實驗之外，尚有大量“標(biāo)準(zhǔn)模型”無法解釋的謎團，比如暗物質(zhì)、暗能量、暴脹和中微子震蕩等。為了解決“標(biāo)準(zhǔn)模型”的疑難謎團，理論物理學(xué)家深入研究了超越標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)理論，提出了各種新物理模型。

左圖：BEPC 測得的Tau 粒子質(zhì)量結(jié)果，該結(jié)果被高能物理粒子數(shù)據(jù)小組認(rèn)定為50年來最重要的實驗測量之一。右圖：利用BEPC 同步輻射光源測定的SARS 病毒蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

1984 年10 月，小平同志為BEPC 項目建設(shè)奠基。

BEPC 獲得了包括國家科技進步特等獎（1990年，左圖）在內(nèi)的一系列榮譽。

Higgs粒子同“標(biāo)準(zhǔn)模型”中的種種疑難和謎團息息相關(guān)，其精確測量對發(fā)掘“標(biāo)準(zhǔn)模型”背后的物理原理至關(guān)重要。Higgs粒子是“標(biāo)準(zhǔn)模型”粒子譜中唯一的標(biāo)量粒子，在其質(zhì)量被測定的情況下，“標(biāo)準(zhǔn)模型”準(zhǔn)確預(yù)言了Higgs粒子的所有性質(zhì)。同時，在理論物理學(xué)家倡議的種種新物理模型中，Higgs粒子的性質(zhì)往往和標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言并不一致，甚至有顯著差異。因此，Higgs粒子的發(fā)現(xiàn)為人類的進一步探索提供了絕佳的探針。

為了實現(xiàn)Higgs粒子的精確測量，需要一個Higgs粒子工廠。歐洲核子中心CERN的大型強子對撞機（以下簡稱LHC）本身是強有力的Higgs粒子工廠。時至今日，在LHC上已產(chǎn)生了數(shù)以千萬計的Higgs粒子。LHC不僅發(fā)現(xiàn)了Higgs粒子，而且還對它的物理性質(zhì)進行了測量，確認(rèn)其性質(zhì)同“標(biāo)準(zhǔn)模型”預(yù)言高度吻合。然而，LHC實驗上有巨大的物理本底，平均每100億次的質(zhì)子對撞事例中才能產(chǎn)生一個Higgs粒子，這使得在LHC對Higgs粒子進行精確測量非常困難，精度受到很大限制?，F(xiàn)有的研究表明，在LHC上，Higgs粒子性質(zhì)測量的極限精度大約在10%量級。

CEPC 對撞機的基線設(shè)計：對撞機由直線加速器（Linac）、增強器（Booster）以及正負(fù)電子的儲存環(huán)組成。CEPC 對撞機采用全局部雙環(huán)設(shè)計。

CEPC 探測器的基線設(shè)計：研徑向方向、從內(nèi)到外探測器由硅像素頂點探測器、時間投影室、電磁及強子量能器、主磁鐵線圈和軛鐵以及Muon子探測組成。

而CEPC是主環(huán)周長為100千米的高精度Higgs粒子工廠。它預(yù)期將在240GeV的質(zhì)心能量下，通過2個對撞點產(chǎn)生100萬個Higgs粒子事例。由于正負(fù)電子不參與強相互作用，CEPC上的對撞環(huán)境比LHC上純凈得多，平均每1000個正負(fù)電子對撞事例中就能產(chǎn)生一個Higgs粒子。同時，CEPC上精確可知的對撞能量信息，也為Higgs粒子精確測量創(chuàng)造了有利條件。模擬分析表明，CEPC可將Higgs粒子的性質(zhì)測量到0.1%～1%水平的相對精確度，超出LHC的極限精度達一個量級。

除了能夠精確測量Higgs粒子，CEPC還能產(chǎn)生大約1億W粒子和數(shù)千億Z粒子，在粒子物理探索的其他前沿上（電弱測量、味物理、高能量前沿等），為我們帶來海量的寶貴數(shù)據(jù)。因此，國內(nèi)外的高能物理學(xué)界，均對CEPC抱有高度支持的態(tài)度。自倡議提出以來，國內(nèi)外的高能物理學(xué)界積極參與CEPC技術(shù)預(yù)研，為CEPC項目的技術(shù)儲備和最終建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。

中國建設(shè)CEPC項目的條件

建設(shè)CEPC項目，毫無疑問需要足夠的技術(shù)、人才以及經(jīng)費支持。

在技術(shù)方面，我國高能物理學(xué)界擁有30多年正負(fù)電子對撞機設(shè)計、建造以及操作的實際經(jīng)驗。同時，我國的研究人員多年在一線探索了各種新型加速器、探測器技術(shù)，這些經(jīng)驗和積累確保了CEPC項目研究工作的順利進行。2018年，CEPC對撞機的概念設(shè)計報告完成。該報告在國際評審中得到世界一流專家的高度認(rèn)可，全體評審委員一致認(rèn)為該工作證實了項目的可行性，并可以進入技術(shù)設(shè)計報告階段（TDR）研究，CEPC各子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)也均取得顯著進展以及部分技術(shù)突破。

在人才方面，我國高能物理學(xué)界目前已擁有大約1000名研究人員以及大學(xué)教授。這支隊伍完成了一系列國際領(lǐng)先的重要成果，并在LHC合作中發(fā)揮著顯著作用。CEPC項目預(yù)研在國內(nèi)已經(jīng)鍛煉出了一支年輕的人才隊伍，這支隊伍作為主力完成了目前的預(yù)研工作。與此同時，CEPC項目的預(yù)研已經(jīng)吸引了大批頂級的國際專家進行合作。可以預(yù)見，一旦CEPC項目正式立項，我國將通過自主培養(yǎng)和國際合作方式，吸引大批優(yōu)秀人才。

在經(jīng)費方面，CEPC項目的造價目前預(yù)估是360億元，以其20年的使用壽命計算，投資強度尚未超過許多基礎(chǔ)科學(xué)的明星領(lǐng)域，甚至未達到平均水平。當(dāng)年建造BEPC項目時，業(yè)界也曾有類似的擔(dān)心，但是事實證明其40年的科學(xué)壽命絕對物有所值，因此在考慮此類問題時一定要有幾十年的前瞻性。

正負(fù)電子Higgs工廠的國際合作與競爭

基于正負(fù)電子對撞機的Higgs工廠可以在大型強子對撞機物理測量的基礎(chǔ)上，大大提升人們對Higgs粒子性質(zhì)的認(rèn)識，并精確測量Higgs粒子性質(zhì)和其他可觀測量的粒子，探索包括質(zhì)量起源、物質(zhì)起源、暗物質(zhì)本質(zhì)在內(nèi)的一系列重要課題?？梢哉f，正負(fù)電子Higgs工廠是大型強子對撞機之后的粒子物理實驗研究中具有戰(zhàn)略意義的大型對撞機。誰能建設(shè)下一代的正負(fù)電子Higgs工廠，誰就能夠占據(jù)未來粒子物理研究的國際領(lǐng)先地位，進而帶動整個領(lǐng)域的發(fā)展。

這一特性得到了國際粒子物理學(xué)界的普遍共識。目前，除了CEPC，這些正負(fù)電子Higgs工廠還包括了可能被建于日本的國際直線對撞機（ILC）、歐洲核子中心倡議建設(shè)的緊致直線對撞機（CLIC），以及未來環(huán)形對撞機中的正負(fù)電子對撞機階段（FCC-ee）。國際高能物理學(xué)界圍繞這些正負(fù)電子Higgs工廠進行了大量研究，其中ILC于2013年發(fā)布了其技術(shù)設(shè)計報告，CLIC、CEPC和FCC-ee分別于2013年、2018年和2019年發(fā)布了概念設(shè)計報告。這4個正負(fù)電子Higgs工廠，包括了2個直線對撞機（ILC和CLIC）和2個環(huán)形對撞機（CEPC和FCC-ee）。其中，直線對撞機具有較易升級質(zhì)心能量、束流可極化的優(yōu)勢。而環(huán)形對撞機則在低能區(qū)（91-240GeV）擁有亮度上的明顯優(yōu)勢，同時具有可升級為質(zhì)心能量達100TeV量級的質(zhì)子對撞機的巨大潛力。

2020年6月19日，歐洲核子中心理事會（CERN Council）全票通過了《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》。這份戰(zhàn)略確定了未來歐洲粒子物理研究的優(yōu)先事項，對全球高能物理的發(fā)展具有重要而深遠(yuǎn)的影響。這份戰(zhàn)略中最引人注目的內(nèi)容之一是“基于正負(fù)電子對撞機的Higgs工廠是優(yōu)先級最高的未來對撞機項目，并期望建設(shè)能量盡可能高的質(zhì)子對撞機”。圍繞這一判斷和愿景，《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》強調(diào)了高場磁體、高溫超導(dǎo)體、等離子體尾場加速等關(guān)鍵技術(shù)，并討論了將來可能的國際合作框架。需要指出的是，我國在2012年確定的CEPC-SPPC項目路線圖與《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》的構(gòu)想高度吻合，這也從側(cè)面反映了這一項目具有巨大的科學(xué)價值，以及我國高能物理學(xué)界判斷的前瞻性。毫無疑問，圍繞這一基礎(chǔ)物理研究的戰(zhàn)略高地，全球高能物理學(xué)界和世界各國將展開一系列的競爭和合作。而科學(xué)和歷史，將在這種合力下穩(wěn)步向前。

CEPC 關(guān)鍵設(shè)備、高場磁鐵制造及測試。左圖：超導(dǎo)線材;中圖：超導(dǎo)磁體核心;右圖：測試中的超導(dǎo)磁體。

40年前，在我國經(jīng)濟千瘡百孔、國內(nèi)人才和資源稀缺的情況下，我國科學(xué)界在中央政府的支持下，抓住了這一歷史性的機遇，完成了BEPC項目的論證、設(shè)計、預(yù)研以及建設(shè)。這使得我國的高能物理實驗研究從零起步，并實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，將關(guān)鍵的科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域提前部署了幾十年，為后來的一些重大科學(xué)設(shè)施建設(shè)和重大科學(xué)成果產(chǎn)出贏得了時間，奠定了基礎(chǔ)。

如今，Higgs粒子的發(fā)現(xiàn)是一個全新的歷史性機遇，國際高能物理學(xué)界正在醞釀新的重大設(shè)施，倡導(dǎo)建造FCC、CLIC、ILC在內(nèi)的一系列未來大型對撞機，CEPC在其中具有顯著的競爭優(yōu)勢。一旦建成，它將成為世界高能物理實驗研究的旗艦，我國將在這一重要競爭中占據(jù)領(lǐng)袖地位，其帶動的技術(shù)發(fā)展將大大促進我國的技術(shù)積累和產(chǎn)業(yè)升級。抓住這一機遇，是我國科學(xué)界的歷史使命。