11月14日下午，大型環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)（CEPC）研究工作組正式發(fā)布了CEPC的《概念設(shè)計報告》。

2012年，中國高能物理學(xué)家提出 CEPC 計劃。由于身材龐大，CEPC被很多人稱為“超級對撞機(jī)”。同時，因為耗資巨大，它也曾多次掀起物理學(xué)界爭議。

項目的支持者認(rèn)為，超級對撞機(jī)將使中國成為世界物理學(xué)研究中心，并促進(jìn)工業(yè)技術(shù)發(fā)展；反對者認(rèn)為這臺對撞機(jī)將成為耗資巨大的無底洞，性價比不高。

“最早出現(xiàn)爭議的時候，我們的爭議還沒有一個明確的對象，現(xiàn)在《概念設(shè)計報告》出來了，這為將來的討論提供了基礎(chǔ)，我們希望未來關(guān)于CEPC的決策可以立足科學(xué)問題?！盋EPC機(jī)構(gòu)委員會主席高原寧在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時說。

在爭議中推進(jìn)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(jī)（LHC）上工作的超環(huán)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”，因為它將質(zhì)量賦予了已知的所有基本粒子。然而，依據(jù)現(xiàn)有的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，人類還無法計算或預(yù)言希格斯粒子本身的質(zhì)量。

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(yù)期要小，只有約1250億電子伏特（125GeV）。

于是，下一代正負(fù)電子對撞機(jī)發(fā)展的新思路誕生了——可以建造能量較低、實驗環(huán)境更為干凈、性價比更高的正負(fù)電子對撞機(jī)，大量產(chǎn)生希格斯粒子，形成“希格斯工廠”，進(jìn)而對希格斯粒子進(jìn)行系統(tǒng)研究，并發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象和物理規(guī)律。

當(dāng)全世界為觀測到希格斯粒子歡呼時，2012年，中國高能物理學(xué)家提出了CEPC計劃，并啟動了該項目的預(yù)研，團(tuán)隊用兩年多時間發(fā)布了《初步概念設(shè)計報告》。

然而，就在《初步概念設(shè)計報告》發(fā)布后不久，CEPC引發(fā)了物理學(xué)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(jī)》將爭議引向高潮。

楊振寧認(rèn)為造巨型對撞機(jī)是“進(jìn)無底洞”；建造花費巨大，將會影響其他基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展；高能物理要發(fā)展不一定要靠造巨型對撞機(jī)，也有不費錢且符合世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢的途徑等。

之后，CEPC團(tuán)隊用了三年時間，正式完成了《概念設(shè)計報告》。

“《初步概念設(shè)計報告》之所以是‘初步’，就是因為有一些設(shè)計沒有達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，但是《概念設(shè)計報告》意味著CEPC已經(jīng)可以在理論層面達(dá)到預(yù)期指標(biāo)了?！盋EPC機(jī)構(gòu)委員會副主席、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員高杰告訴記者。

他表示，接下來，CEPC項目團(tuán)隊將以《概念設(shè)計報告》為基礎(chǔ)，完成關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研，計劃于2018年至2022年間建成一系列關(guān)鍵部件原型機(jī)，驗證技術(shù)和大規(guī)模工業(yè)加工的可行性。

“這項工作的嚴(yán)肅性在全世界引起了越來越多的關(guān)注，并為下一步的《技術(shù)設(shè)計報告》和工程設(shè)計以及未來建設(shè)計劃時間表的可行性奠定了良好基礎(chǔ)?！迸_灣大學(xué)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(shè)計，CEPC將是一個埋在地下100多米處的周長100公里的“大圈”，至少會有兩臺探測器同時進(jìn)行科學(xué)實驗。

中國科學(xué)院高能物理研究所研究員阮曼奇介紹，CEPC以秦皇島地質(zhì)結(jié)構(gòu)為參考，進(jìn)行了概念設(shè)計研究，預(yù)期于“十四五”開始建設(shè)，并于2030年前竣工，預(yù)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(fù)責(zé)產(chǎn)生正負(fù)電子并加速，最終精確聚焦對撞、制造極端環(huán)境，產(chǎn)生具有科學(xué)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(huán)同樣長度的增強器，把正負(fù)電子的能量提高到研究所需的值。能量達(dá)到研究所需后，粒子就會送入兩個儲存環(huán)進(jìn)行對撞。

探測器則相當(dāng)于可以高速、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”也會采用最新的軟件技術(shù)，與最新的大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等發(fā)展緊密相關(guān)。

在設(shè)計CEPC大致模樣的同時，研究團(tuán)隊還規(guī)劃了前10年的實驗內(nèi)容。

最初的7年內(nèi)，CEPC將在質(zhì)心能量2400億電子伏特（240GeV）處運行，以研究希格斯粒子。隨后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年后，CEPC 未來可能發(fā)展方向之一是升級為一個超級質(zhì)子—質(zhì)子對撞機(jī)（SppC），質(zhì)心能量將達(dá)到100萬億電子伏特（100TeV），以便在大范圍內(nèi)直接尋找新的物理現(xiàn)象和物理規(guī)律。

阮曼奇介紹，在為期十年的實驗計劃中， CEPC將生產(chǎn)超過100萬個希格斯粒子，此外還將生產(chǎn)1億個W玻色子和近1萬億個Z玻色子。

“CEPC計劃與國際稍早的國際線性對撞機(jī)（ILC）、緊湊型線性對撞機(jī)（CLIC），以及同時期的未來環(huán)形對撞機(jī)（FCC）項目處于競爭地位?！比盥嬲f。

等待國家支持

在《概念設(shè)計報告》的扉頁，可以看到很多國內(nèi)外科學(xué)家的簽名。

“簽名者一部分是參與報告研究和撰寫的人，還有一部分是支持并有意愿參與CEPC研制工作的人。”高原寧說。

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

“國際高能物理界非常希望參加 CEPC 的研發(fā)和將來的科學(xué)實驗，這將會大大促進(jìn)人類對物質(zhì)最基本組成單元的進(jìn)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(xué)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(xué)家們期待著以政府間合作的形式推動CEPC的預(yù)研和建設(shè)。

CEPC 指導(dǎo)委員會主席、中國科學(xué)院高能物理研究所所長、中國科學(xué)院院士王貽芳表示，對于中國的高能物理來講，這是一個絕佳的歷史機(jī)遇，一方面，該方案可以進(jìn)一步理解希格斯粒子的性質(zhì)、宇宙早期演化、反物質(zhì)丟失、尋找暗物質(zhì)、真空穩(wěn)定性等一系列未解的關(guān)鍵科學(xué)問題和尋找新的物理規(guī)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(lǐng)先的“創(chuàng)新合作平臺”，成為該領(lǐng)域全世界的領(lǐng)跑者。

（原題為《“超級對撞機(jī)”有了新眉目 三年完成《概念設(shè)計報告》 六年來在爭議中前行》）