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美国下马 日本拖延 杨振宁竭力反对 中国要不要花300多亿干这事?

美国下马 日本拖延 杨振宁竭力反对 中国要不要花300多亿干这事?
2019-07-24 14:49:40 瞭望智库

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29年前的1990年7月21日,北京正负电子对撞机正式通过国家验收。

当时新华社的报道是这样评价此项成果的:这是中国继原子弹、氢弹爆炸成功,人造卫星上天后,在高科技领域取得的又一重大突破性成就。

台湾地区《中国时报》1992年5月报道,分析研究所得粒子对撞数据后,对重轻粒子的质量获得高度精确的测量,比国际现有结果精确5倍。“这是第一次完全由中国人自行获得的世界性研究成绩。”

中国人仅仅花了极短的时间,就建成了北京的正负电子对撞机,并在此后进行了一系列前沿研究。斯坦福加速器中心的帕诺夫斯基说:“中国的物理学家在已知粒子的测量方面要领先于西方,准确度要高于西方。

为了加快步伐向高能物理领域的世界前沿靠拢,中科院高能所于2012年雄心勃勃地提出了在中国建造下一代粒子对撞机的计划,以加快对希格斯玻色子(即“上帝粒子”)的探索,该粒子可以解释质量的存在,对理解宇宙很关键。

中国应不应该建下一代粒子对撞机?这一争论尚无公认答案。围绕这个问题进行的大讨论也经常见诸于媒体。

今天,库叔选取了两篇对建造下一代粒子对撞机持不同看法的文章,希望大家对这个高精尖领域能有更全面的了解。

文|陈缮真 意大利核物理研究院博士后研究员,欧洲核子研究中心(CERN)LHCb实验成员

编辑|李浩然瞭望智库 

本文为瞭望智库原创文章,如需转载请在文前注明来源瞭望智库(zhczyj)及作者信息,否则将严格追究法律责任。

2012年希格斯粒子被欧洲核子研究中心的研究人员发现后不久,科学家们立刻意识到,其质量并没有之前一些理论预期的那么高。这也就意味着,对其进行直接研究的正负电子对撞机的建造难度,是现代人类工程水平可以达到的范围之内。这也让物理学家们看到了对希格斯粒子开展直接研究的希望

而中国的高能物理学界,在经过了几十年的砥砺发展之后,逐渐摸清了到达这门学科研究最前沿的门路,也看到了在这个领域引领国际潮流的希望。加上过去几十年飞速发展的中国工程业与制造业加持,中科院高能所于2012年雄心勃勃地提出了在中国建造下一代粒子对撞机CEPC(Circular Electron Positron Collider,环形正负电子对撞机)的计划。

或许很多人还不了解,过去几年里,中国高能物理学界有很多学者一直在默默地进行下一代粒子对撞机技术的初期研究探索工作。

他们将对撞机的研究拆分成对撞机粒子注入与倾出、粒子束流、粒子聚焦、磁场、真空、控制等系统以及探测器的径迹识别、粒子鉴别、能量测量系统等等数十个单元,分别交给不同领域的专家团队进行研究,项目土木工程建设方面的设计和估价则交给了专业土建公司。

这些专家团队的研究模拟成果最终汇总成两卷共900多页的《CEPC概念设计报告(卷Ⅰ、卷Ⅱ)》,经全球知名专家学者参与的关于创新性与可行性的审议,已于2018年底向全世界公开。

(图为《CEPC概念设计报告》发布当日,CEPC团队、国际顾问委员会和《CEPC概念设计报告》国际评审委员会部分成员合影图源:中科院高能物理研究所)

(图为《CEPC概念设计报告》发布当日,CEPC团队、国际顾问委员会和《CEPC概念设计报告》国际评审委员会部分成员合影图源:中科院高能物理研究所)

然而,在计划推出后的几年里,CEPC一直处于舆论漩涡中。此前,杨振宁先生在中国科学院大学的一次演讲中,再一次引爆了公众对于是否应该建造大型对撞机的大讨论。

不少网友纷纷站队,表达了对某一观点的支持或反对。

这些争论的焦点是什么呢?

最主要的是一个问题:花这么多钱建设CEPC,到底值不值?

1下一代粒子对撞机到底有什么用?

很多人不理解的是,中国设计的环形正负电子对撞机(CEPC)比现在已经运行的欧洲大型强子对撞机(LHC)能量要低,既然要做下一代粒子对撞机,为什么其能量反而不如已经存在的对撞机?

(图为位于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机的粒子束流管道图源:欧洲核子研究中心)

(图为位于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机的粒子束流管道图源:欧洲核子研究中心)

这是因为,LHC和中国设计的CEPC是两类对撞机,它们分别代表着高能物理学的“能量前沿”和“亮度前沿”,高能物理学这个领域的探索和研究,是能量前沿与亮度前沿交替上升的过程。

所谓“能量前沿”,就是利用结构复杂的粒子,以更高的能量对撞来探索未知未见的粒子或现象,是一个“大力出奇迹”的过程。利用LHC进行新物理的探索,是一个在大量杂乱的数据中筛选找出新粒子或者新现象的过程。

打个比方,LHC里的粒子就像满载各种杂物的货运火车,越高能量的粒子相当于有越大容量的货仓,从而有更高概率装进去一些稀有的东西。如果我们想知道货仓里有什么,只能用一种“野蛮”的方式来探知,那就是将两列火车相撞,把货仓撞碎看看里面有什么。

在大量散落的货仓对撞物中,希格斯粒子就像是一盒冰淇淋。过去几年中,科学家们在强子对撞机的对撞产物中找到了很多新鲜东西,其中就包括了这盒冰淇淋,物理学家们已经找了它几十年,它的发现为下一步的亮度前沿实验的设计指明了方向。

在高能物理学实验中,位于欧洲核子研究中心的LHC,位于美国费米实验室的兆电子伏特加速器(Tevatron),以及在上个世纪九十年代初不幸流产了的超导超级对撞机(SSC)都属于这一类能量前沿的实验装备。

而所谓“亮度前沿”,则是以“干净”的粒子进行对撞,压低其他不关心的粒子或者现象产生的几率,从而对想要研究的粒子进行精确测量的过程。

这类亮度前沿的实验通常是用正负电子这一类只参与量子电动力学(QED)过程而不参与量子色动力学(QCD)过程的轻子在目标粒子的阈值能量处进行对撞,从而达到最高的纯净度和统计量,进而完成对目标粒子各种性质的精确测量。

这个过程就像假如我们想研究一盒冰淇淋,那就直接从冰淇淋工厂生产一盒。通过这样的过程获得的冰淇淋,比把它放进对撞的火车货仓里,再从撞碎散落的零件中找到的冰淇淋要干净得多。

通常来说,高能物理学中的“某某工厂”实验,包括日本高能加速器研究机构(KEK)的Belle实验,美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)的BaBar实验,以及在规划中的“希格斯工厂”和τ-粲工厂等,都是亮度前沿的实验。

(图为位于日本高能加速器研究机构的Belle实验和位于美国斯坦福直线加速器中心的BaBar实验)

(图为位于日本高能加速器研究机构的Belle实验和位于美国斯坦福直线加速器中心的BaBar实验)

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