11月14日下午，大型環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）研究工作組正式發(fā)布了CEPC的《概念設(shè)計(jì)報(bào)告》。
2012年，中國(guó)高能物理學(xué)家提出 CEPC 計(jì)劃。由于身材龐大，CEPC被很多人稱為“超級(jí)對(duì)撞機(jī)”。同時(shí)，因?yàn)楹馁Y巨大，它也曾多次掀起物理學(xué)界爭(zhēng)議。
項(xiàng)目的支持者認(rèn)為，超級(jí)對(duì)撞機(jī)將使中國(guó)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(duì)者認(rèn)為這臺(tái)對(duì)撞機(jī)將成為耗資巨大的無(wú)底洞，性價(jià)比不高。
“最早出現(xiàn)爭(zhēng)議的時(shí)候，我們的爭(zhēng)議還沒有一個(gè)明確的對(duì)象，現(xiàn)在《概念設(shè)計(jì)報(bào)告》出來(lái)了，這為將來(lái)的討論提供了基礎(chǔ)，我們希望未來(lái)關(guān)于CEPC的決策可以立足科學(xué)問(wèn)題。”CEPC機(jī)構(gòu)委員會(huì)主席高原寧在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)說(shuō)。
在爭(zhēng)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(qiáng)子對(duì)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(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)觀測(cè)到了希格斯粒子。
希格斯粒子又被稱為“上帝粒子”，因?yàn)樗鼘①|(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(wú)法計(jì)算或預(yù)言希格斯粒子本身的質(zhì)量。
在觀測(cè)到希格斯粒子之前，人們一直以為需要將兩個(gè)粒子的能量提升到很高才能對(duì)撞出希格斯粒子，但是，2012年的那兩個(gè)實(shí)驗(yàn)讓人們意識(shí)到，觀測(cè)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(duì)撞機(jī)發(fā)展的新思路誕生了——可以建造能量較低、實(shí)驗(yàn)環(huán)境更為干凈、性價(jià)比更高的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，大量產(chǎn)生希格斯粒子，形成“希格斯工廠”，進(jìn)而對(duì)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(cè)到希格斯粒子歡呼時(shí)，2012年，中國(guó)高能物理學(xué)家提出了CEPC計(jì)劃，并啟動(dòng)了該項(xiàng)目的預(yù)研，團(tuán)隊(duì)用兩年多時(shí)間發(fā)布了《初步概念設(shè)計(jì)報(bào)告》。
然而，就在《初步概念設(shè)計(jì)報(bào)告》發(fā)布后不久，CEPC引發(fā)了物理學(xué)界的廣泛爭(zhēng)議。諾獎(jiǎng)得主楊振寧的《中國(guó)今天不宜建造超大對(duì)撞機(jī)》將爭(zhēng)議引向高潮。
楊振寧認(rèn)為造巨型對(duì)撞機(jī)是“進(jìn)無(wú)底洞”；建造花費(fèi)巨大，將會(huì)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(duì)撞機(jī)，也有不費(fèi)錢且符合世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)的途徑等。
之后，CEPC團(tuán)隊(duì)用了三年時(shí)間，正式完成了《概念設(shè)計(jì)報(bào)告》。
“《初步概念設(shè)計(jì)報(bào)告》之所以是‘初步’，就是因?yàn)橛幸恍┰O(shè)計(jì)沒有達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，但是《概念設(shè)計(jì)報(bào)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(huì)副主席、中國(guó)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(lái)，CEPC項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將以《概念設(shè)計(jì)報(bào)告》為基礎(chǔ)，完成關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研，計(jì)劃于2018年至2022年間建成一系列關(guān)鍵部件原型機(jī)，驗(yàn)證技術(shù)和大規(guī)模工業(yè)加工的可行性。
“這項(xiàng)工作的嚴(yán)肅性在全世界引起了越來(lái)越多的關(guān)注，并為下一步的《技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)告》和工程設(shè)計(jì)以及未來(lái)建設(shè)計(jì)劃時(shí)間表的可行性奠定了良好基礎(chǔ)。”臺(tái)灣大學(xué)教授、亞洲高能物理委員會(huì)主席侯唯恕說(shuō)。
一個(gè)耗資300多億的“大圈”按照概念設(shè)計(jì)，CEPC將是一個(gè)埋在地下100多米處的周長(zhǎng)100公里的“大圈”，至少會(huì)有兩臺(tái)探測(cè)器同時(shí)進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
中國(guó)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(jì)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(gè)“大圈”由兩大部分組成，一部分是加速器，另一部分是探測(cè)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(duì)撞、制造極端環(huán)境，產(chǎn)生具有科學(xué)研究?jī)r(jià)值的物理事件。加速器的主要組成部分是一個(gè)小型直線加速器和一個(gè)與對(duì)撞儲(chǔ)存環(huán)同樣長(zhǎng)度的增強(qiáng)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(huì)送入兩個(gè)儲(chǔ)存環(huán)進(jìn)行對(duì)撞。
探測(cè)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(cè)器組成，用來(lái)記錄帶電和不帶電的各種微觀粒子。同時(shí)，這個(gè)“照相顯微鏡”也會(huì)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(jì)CEPC大致模樣的同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還規(guī)劃了前10年的實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(yùn)行，以研究Z玻色子和重味物理。另外一年時(shí)間，CEPC計(jì)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(lái)可能發(fā)展方向之一是升級(jí)為一個(gè)超級(jí)質(zhì)子—質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SppC），質(zhì)心能量將達(dá)到100萬(wàn)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(shí)驗(yàn)計(jì)劃中， CEPC將生產(chǎn)超過(guò)100萬(wàn)個(gè)希格斯粒子，此外還將生產(chǎn)1億個(gè)W玻色子和近1萬(wàn)億個(gè)Z玻色子。
“CEPC計(jì)劃與國(guó)際稍早的國(guó)際線性對(duì)撞機(jī)（ILC）、緊湊型線性對(duì)撞機(jī)（CLIC），以及同時(shí)期的未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）項(xiàng)目處于競(jìng)爭(zhēng)地位?！比盥嬲f(shuō)。
等待國(guó)家支持在《概念設(shè)計(jì)報(bào)告》的扉頁(yè)，可以看到很多國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的簽名。
“簽名者一部分是參與報(bào)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?！备咴瓕幷f(shuō)。
在高原寧看來(lái)，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(wèn)題，國(guó)際科學(xué)界參與CEPC研制的興趣越來(lái)越濃厚，也正是因?yàn)檫@樣的科學(xué)目標(biāo)具有重要意義。
“國(guó)際高能物理界非常希望參加 CEPC 的研發(fā)和將來(lái)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，這將會(huì)大大促進(jìn)人類對(duì)物質(zhì)最基本組成單元的進(jìn)一步理解。”國(guó)際未來(lái)加速器委員會(huì)和亞洲未來(lái)加速器委員會(huì)主席、墨爾本大學(xué)教授Geoffrey Taylor說(shuō)。
高原寧告訴記者，目前國(guó)家在立項(xiàng)方面還沒有給出明確的信號(hào)，科學(xué)家們期待著以政府間合作的形式推動(dòng)CEPC的預(yù)研和建設(shè)。
CEPC 指導(dǎo)委員會(huì)主席、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士王貽芳表示，對(duì)于中國(guó)的高能物理來(lái)講，這是一個(gè)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(wèn)題和尋找新的物理規(guī)律，另一方面，中國(guó)可以通過(guò)努力建成自己的希格斯工廠和國(guó)際領(lǐng)先的“創(chuàng)新合作平臺(tái)”，成為該領(lǐng)域全世界的領(lǐng)跑者。
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2018-11-15 第1版 要聞，http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2018/11/340892.shtm)
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