大型對(duì)撞機(jī)的中國選擇

阮曼奇

1972年，我國政府和科學(xué)界面臨著一個(gè)重大選擇：是否建設(shè)大型對(duì)撞機(jī)。對(duì)撞機(jī)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(jiǎng)?lì)C發(fā)給了與對(duì)撞機(jī)相關(guān)的研究成果。但大型對(duì)撞機(jī)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(duì)撞機(jī)（以下簡(jiǎn)稱BEPC）在1984年開建，并于1988年10月實(shí)現(xiàn)首次對(duì)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(jìn)步特等獎(jiǎng)在內(nèi)的一系列大獎(jiǎng)。

BEPC的建設(shè)過程分為2個(gè)階段：1984-2003年的BEPC-I，以及其后運(yùn)行至今的BEPC-Ⅱ。BEPC-I解決了我國缺少高能對(duì)撞機(jī)的問題，是其能區(qū)內(nèi)性能最好的對(duì)撞機(jī)。它給出了包括R值測(cè)量、Tau輕子質(zhì)量測(cè)量、新強(qiáng)子態(tài)探測(cè)在內(nèi)的一系列重要成果，確立了當(dāng)時(shí)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(yàn)證之一。亮度升級(jí)后，BEPC-Ⅱ在國際競(jìng)爭(zhēng)中再次成為其能區(qū)內(nèi)性能最好的對(duì)撞機(jī)，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(jī)兩用的理念，BEPC在進(jìn)行高能物理前沿探索的同時(shí)，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(shí)，BEPC光源首次測(cè)定了該病毒的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，為疫情的控制、應(yīng)對(duì)藥物的研發(fā)提供了關(guān)鍵信息。

由于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的限制，BEPC并非那個(gè)年代最先進(jìn)的對(duì)撞機(jī)，其能量只有當(dāng)時(shí)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(shí)驗(yàn)研究的起點(diǎn)，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(jì)算引進(jìn)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(shí)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(píng)為各種年度十大物理學(xué)進(jìn)展，獲頒“基礎(chǔ)物理突破獎(jiǎng)”等各種重大國際獎(jiǎng)項(xiàng)。BEPC所在的中國科學(xué)院高能物理所，也成長為與費(fèi)米、SLAC、KEK、DESY等實(shí)驗(yàn)室比肩的全球著名高能物理實(shí)驗(yàn)室。

時(shí)光荏苒，40年后的今天，憑借希格斯（以下簡(jiǎn)稱Higgs）粒子發(fā)現(xiàn)的歷史機(jī)遇，我國科學(xué)家提出建設(shè)環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）的倡議。與BEPC不同，CEPC是國際領(lǐng)先的對(duì)撞機(jī)，它將以超過歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）10～100倍的精度對(duì)Higgs粒子性質(zhì)等關(guān)鍵物理量進(jìn)行測(cè)量，搜尋新物理的能標(biāo)將超過LHC的10倍以上。同時(shí)，它還可以被升級(jí)為能量超過LHC一個(gè)量級(jí)的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。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(shí)作為龍頭項(xiàng)目帶動(dòng)一系列國際最先進(jìn)的核心技術(shù)的發(fā)展。與當(dāng)年BEPC的追趕和填補(bǔ)空白不同，CEPC將是引領(lǐng)，其意義和作用將大大超過BEPC。時(shí)間，讓我們走到了一個(gè)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(shí)現(xiàn)Higgs粒子的精確測(cè)量。同時(shí)，CEPC可精確檢驗(yàn)“標(biāo)準(zhǔn)模型”，測(cè)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(gè)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(shí)，在對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)之外，尚有大量“標(biāo)準(zhǔn)模型”無法解釋的謎團(tuán)，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(tuán)，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(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)量之一。右圖：利用BEPC 同步輻射光源測(cè)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(xiàng)目建設(shè)奠基。

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

Higgs粒子同“標(biāo)準(zhǔn)模型”中的種種疑難和謎團(tuán)息息相關(guān)，其精確測(cè)量對(duì)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(cè)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(shí)，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(jìn)一步探索提供了絕佳的探針。

為了實(shí)現(xiàn)Higgs粒子的精確測(cè)量，需要一個(gè)Higgs粒子工廠。歐洲核子中心CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（以下簡(jiǎn)稱LHC）本身是強(qiáng)有力的Higgs粒子工廠。時(shí)至今日，在LHC上已產(chǎn)生了數(shù)以千萬計(jì)的Higgs粒子。LHC不僅發(fā)現(xiàn)了Higgs粒子，而且還對(duì)它的物理性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)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(shí)驗(yàn)上有巨大的物理本底，平均每100億次的質(zhì)子對(duì)撞事例中才能產(chǎn)生一個(gè)Higgs粒子，這使得在LHC對(duì)Higgs粒子進(jìn)行精確測(cè)量非常困難，精度受到很大限制。現(xiàn)有的研究表明，在LHC上，Higgs粒子性質(zhì)測(cè)量的極限精度大約在10%量級(jí)。

CEPC 對(duì)撞機(jī)的基線設(shè)計(jì)：對(duì)撞機(jī)由直線加速器（Linac）、增強(qiáng)器（Booster）以及正負(fù)電子的儲(chǔ)存環(huán)組成。CEPC 對(duì)撞機(jī)采用全局部雙環(huán)設(shè)計(jì)。

CEPC 探測(cè)器的基線設(shè)計(jì)：研徑向方向、從內(nèi)到外探測(cè)器由硅像素頂點(diǎn)探測(cè)器、時(shí)間投影室、電磁及強(qiáng)子量能器、主磁鐵線圈和軛鐵以及Muon子探測(cè)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(gè)對(duì)撞點(diǎn)產(chǎn)生100萬個(gè)Higgs粒子事例。由于正負(fù)電子不參與強(qiáng)相互作用，CEPC上的對(duì)撞環(huán)境比LHC上純凈得多，平均每1000個(gè)正負(fù)電子對(duì)撞事例中就能產(chǎn)生一個(gè)Higgs粒子。同時(shí)，CEPC上精確可知的對(duì)撞能量信息，也為Higgs粒子精確測(cè)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(cè)量到0.1%～1%水平的相對(duì)精確度，超出LHC的極限精度達(dá)一個(gè)量級(jí)。

除了能夠精確測(cè)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(cè)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(duì)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(xiàng)目的技術(shù)儲(chǔ)備和最終建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。

中國建設(shè)CEPC項(xiàng)目的條件

建設(shè)CEPC項(xiàng)目，毫無疑問需要足夠的技術(shù)、人才以及經(jīng)費(fèi)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(duì)撞機(jī)設(shè)計(jì)、建造以及操作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，我國的研究人員多年在一線探索了各種新型加速器、探測(cè)器技術(shù)，這些經(jīng)驗(yàn)和積累確保了CEPC項(xiàng)目研究工作的順利進(jìn)行。2018年，CEPC對(duì)撞機(jī)的概念設(shè)計(jì)報(bào)告完成。該報(bào)告在國際評(píng)審中得到世界一流專家的高度認(rèn)可，全體評(píng)審委員一致認(rèn)為該工作證實(shí)了項(xiàng)目的可行性，并可以進(jìn)入技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)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(jìn)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(duì)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(xiàng)目預(yù)研在國內(nèi)已經(jīng)鍛煉出了一支年輕的人才隊(duì)伍，這支隊(duì)伍作為主力完成了目前的預(yù)研工作。與此同時(shí)，CEPC項(xiàng)目的預(yù)研已經(jīng)吸引了大批頂級(jí)的國際專家進(jìn)行合作。可以預(yù)見，一旦CEPC項(xiàng)目正式立項(xiàng)，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(fèi)方面，CEPC項(xiàng)目的造價(jià)目前預(yù)估是360億元，以其20年的使用壽命計(jì)算，投資強(qiáng)度尚未超過許多基礎(chǔ)科學(xué)的明星領(lǐng)域，甚至未達(dá)到平均水平。當(dāng)年建造BEPC項(xiàng)目時(shí)，業(yè)界也曾有類似的擔(dān)心，但是事實(shí)證明其40年的科學(xué)壽命絕對(duì)物有所值，因此在考慮此類問題時(shí)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(jìng)爭(zhēng)

基于正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的Higgs工廠可以在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)物理測(cè)量的基礎(chǔ)上，大大提升人們對(duì)Higgs粒子性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，并精確測(cè)量Higgs粒子性質(zhì)和其他可觀測(cè)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。可以說，正負(fù)電子Higgs工廠是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)之后的粒子物理實(shí)驗(yàn)研究中具有戰(zhàn)略意義的大型對(duì)撞機(jī)。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(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)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(shí)。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(duì)撞機(jī)（ILC）、歐洲核子中心倡議建設(shè)的緊致直線對(duì)撞機(jī)（CLIC），以及未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)中的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)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(jìn)行了大量研究，其中ILC于2013年發(fā)布了其技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)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(jì)報(bào)告。這4個(gè)正負(fù)電子Higgs工廠，包括了2個(gè)直線對(duì)撞機(jī)（ILC和CLIC）和2個(gè)環(huán)形對(duì)撞機(jī)（CEPC和FCC-ee）。其中，直線對(duì)撞機(jī)具有較易升級(jí)質(zhì)心能量、束流可極化的優(yōu)勢(shì)。而環(huán)形對(duì)撞機(jī)則在低能區(qū)（91-240GeV）擁有亮度上的明顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有可升級(jí)為質(zhì)心能量達(dá)100TeV量級(jí)的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)的巨大潛力。

2020年6月19日，歐洲核子中心理事會(huì)（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(xiàng)，對(duì)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(duì)撞機(jī)的Higgs工廠是優(yōu)先級(jí)最高的未來對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目，并期望建設(shè)能量盡可能高的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)”。圍繞這一判斷和愿景，《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》強(qiáng)調(diào)了高場(chǎng)磁體、高溫超導(dǎo)體、等離子體尾場(chǎng)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(xiàng)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(xiàng)目具有巨大的科學(xué)價(jià)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(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)磁鐵制造及測(cè)試。左圖：超導(dǎo)線材;中圖：超導(dǎo)磁體核心;右圖：測(cè)試中的超導(dǎo)磁體。

40年前，在我國經(jīng)濟(jì)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(jī)遇，完成了BEPC項(xiàng)目的論證、設(shè)計(jì)、預(yù)研以及建設(shè)。這使得我國的高能物理實(shí)驗(yàn)研究從零起步，并實(shí)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(shí)間，奠定了基礎(chǔ)。

如今，Higgs粒子的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)全新的歷史性機(jī)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(duì)撞機(jī)，CEPC在其中具有顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。一旦建成，它將成為世界高能物理實(shí)驗(yàn)研究的旗艦，我國將在這一重要競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)領(lǐng)袖地位，其帶動(dòng)的技術(shù)發(fā)展將大大促進(jìn)我國的技術(shù)積累和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。抓住這一機(jī)遇，是我國科學(xué)界的歷史使命。