杨振宁等争议中挺进的中国大型对撞机：2022年开工

2020-01-10 10:54:44 来源：阅读：1

来源：DeepTech深科技

北京时间 11 月 24 日，Nature 在其官网刊发了一篇与中国高能物理所（IHEP）所长王贻芳的访谈。全文并不算长，但却涉及中国超大量子对撞机的最新进展、中国未来在全球高能物理界的位置等关键问题，也不禁让人联想起此前一次源于丘成桐、杨振宁的现象级科学大讨论——中国到底应不应该建大型粒子对撞机。某种程度上，这一次的访谈可以被看做上一次讨论的延续。

图丨 Nature 官网报道（来源：Nature）图丨 Nature 官网报道（来源：Nature）

IHEP 的物理学家正在设计世界上最大的粒子对撞机。Nature 认为，一旦建成，这个 100 公里长的设施将使得欧洲粒子物理实验室在瑞士日内瓦附近建成的 27 公里长的大型强子对撞机（LHC）相形见绌，不仅如此，前者的成本只有 LHC 一半左右。这个价值上百亿的圆形正负电子对撞机（Circular Electron–Positron Collider，以下简称 CEPC）正是王贻芳的心血结晶。

他从 2012 年大型强子对撞机发现希格斯玻色子以后就开始领导该项目。CEPC 是通过撞击电子和它的反物质对应物——正电子——来生产希格斯玻色子。因为这些都是基本粒子，将其进行碰撞，就可以得到比 LHC 的质子-质子对撞更清晰的结果。所以若中国在 2030 年开放该设施，物理学家们就可以开始研究神秘的粒子和其衰变过程。

上周（2018 年 11 月 14 日），IHEP 发布了一份里程碑式的报告，概述了对撞机的蓝图。研发初期的资金来自于中国政府，但设计工作是由国际上的物理学家合作完成的，设计团队希望获得世界各地的资金支持。蓝图显示，CEPC 将建设在地下 100 米深处的一个圆形场地中，并且安装有两个探测器，不过目前探测器的安装位置还没有确定。CEPC 使用年限为十年，电子-正电子对撞机随后可升级为质子与质子之间的碰撞，能量峰值是 LHC 的七倍。

图丨王贻芳（来源：中国科学院）

王贻芳在访谈中也提到未来 CEPC 和 LHC 可能存在的竞争关系。“现在说这是一场比赛还为时过早。我认为提出不同的建议并彻底探讨没想建议的优缺点是好事。然后再由集体决定哪一个可行”，他说。

值得注意的是，尽管这一次的访谈并未涉及此前王贻芳、杨振宁、丘成桐等人对于中国是否应该在现阶段建设超大对撞机的辩论，但王贻芳仍在采访中表达了建设超大对撞机对于中国的意义和价值所在。

“我们希望对撞机带来的影响是正面的，至少对中国来说。此外，我认为 CEPC 不会成为世界唯一的中心。从历史上看，我们总是拥有许多粒子物理中心，尽管现在这样的中心越来越少。不过，我真的希望我们不会成为唯一一个。”，他说。王贻芳还表示，（中国成为全球高能物理中心）这有助于中国对外开放，变得更加国际化，它也将为科学界带来更多资源。

图丨项目的选址地点（来源：http://cepc.ihep.ac.cn）

中国超大对撞机上一次大范围地出现在公众视野也是此前的那场辩论，其可追溯到 2016 年早些时候。

2016 年 8 月初，著名华裔数学家、1982 年菲尔兹奖获得者丘成桐在接受新华社采访时，明确表示“希望在长城入海处建设下一代大型对撞机”。之后，丘成桐也撰文表达了对中国修建新一代大型对撞机的期待。

丘成桐给出的理由是：探索高能物理前沿，寻找超对称粒子，吸引来自世界各地的一流科学家，将是中国“对国际科研、世界和平乃至人类文明的贡献，也是对中国国际形象的提升”。

但著名物理学家、1957 年诺贝尔物理学奖获得者杨振宁则提出了截然不同的看法。同年 9 月，杨振宁发表长文表示了其反对意见，他认为，中国仍然是个发展中国家，大型对撞机可能会挤压其他基础学科的经费，而这样的对撞机想要寻找的粒子，“包括我在内，认为超对称粒子的存在只是一个猜想”。他估计，这个对撞机的造价可能需要 200 亿美元（约 1350 亿人民币）。

两位传奇科学家的公开讨论迅速引起了全国性关注，也有越来越多的中国科学家加入到其中的讨论中，王贻芳便是其中一例，而他的立场是“挺撞”。在他撰写的《中国今天应该建造大型对撞机》中，他表示，“杨先生是我尊敬的科学家，但我更尊重科学和理性”。

当时，王贻芳在文章中表示，在下一个五年计划开建大型对撞机，是我们在高能物理领域领先国际的一个难得的机遇，而从数字看，基础研究经费还有巨大的增长空间（大约每年 1000 亿人民币以上），不存在挤压其他基础科学研究经费的情况。

图丨王贻芳此前的文章（来源：中科院之声）

我们不难看出，大型对撞机引发争议直接原因是投资巨大，根据王贻芳的文章，第一阶段的正负电子对撞机（CEPC）约在 2022-2030 年间，工程造价（不包括土地、“七通一平”等）约 400 亿元。如果第一阶段成功且有所发现，第二阶段的质子对撞机（SPPC）将启动，工程造价在 1000 亿元以内，时间是在 2040-2050 年左右。几百、上千亿元量级的投资在中国的基础研究项目中也是难以想象的，要知道，根据央广网数据，世界最大的射电望远镜、位于贵州平塘的 500 米口径球面射电望远镜（FAST）项目概算总投资 6.67 亿元。

在最新的采访中，王贻芳也表示，“从来没有人建造过这么大的机器，我们希望最大限度地降低成本。它的规格与过去世界上任何机器的规格都不同，我们需要证明它是合理的”。

除了成本讨论以外，王贻芳也回应了对撞机国际咨询委员会对该项目国际参与不足的问题。

他透露，受到国际伙伴的财政支出限制，国际参与上暂无重大进展：“他们都感兴趣，但是他们需要得到相关的资助机构认可。他们正在等待中国政府对于是否为其提供资金的决定”。

另外，王贻芳也提到，欧洲核子研究中心正在讨论新的欧洲粒子物理战略，美国也有类似的计划。“我们希望两者都能考虑 CEPC”，他说。

图丨 CEPC 的相关演示（来源：http://cepc.ihep.ac.cn%29/）

除了粒子对撞机以外，王贻芳还谈到 IHEP 另一个值得期待的项目，包括东莞的散裂中子源正在良好运作，IHEP 还计划在北京怀柔建造一个 1.4 公里长的光源，耗资 48 亿人民币。这是一种圆形电子加速器，可以产生同步辐射（一种强度极高的 X 射线）。这些对几乎所有研究学科都很有用，包括材料、化学、生物学、环境科学、地质学和医学。

“我们相信政府将在明年年初之前完成该项目的最终审批，之后我们就可以开始建设了。我们认为它将是世界领先的机器。大多数光源是从现有机器升级的，因此限制很大。我们可以使用最好的配置，最好的技术，而且没有限制”，他说。

来源：新浪科技时间：2018年11月24日

数十年来，前沿物理学的研究已经离不开高能粒子对撞机。高能粒子对撞机能把粒子加速到接近光速的极快速度，然后使这些粒子互相碰撞，由此来研究粒子的结构，并寻找新的粒子。

目前，世界上最强大的高能粒子对撞机——大型强子对撞机（LHC）已经开机运行了10年，期间它取得了很多重大发现，最具代表性的是在2012年找到了半个世纪前理论预言的希格斯玻色子，这被认为是粒子物理标准模型的最后一块拼图。此外，LHC还能用于研究宇宙最早期的状态。鉴于此，我国物理学家也提出希望建造出一台超级对撞机——环形正负电子对撞机（CEPC），它将超越LHC，让我国的基础物理学研究能够引领世界。

在这个加速器里面，2束高能粒子流在彼此相撞之前，以接近光速的速度向前传播。这两束粒子流分别通过不同光束管，向相反方向传播，这两根管子都处于超高真空状态。一个强磁场促使它们围绕那个加速环运行，这个强磁场是利用超导电磁石获得的。这些超导电磁石是利用特殊电缆线制成的，它们在超导状态下进行操作，有效传导电流，没有电阻消耗或能量损失。要达到这种结果，大约需要将磁体冷却到零下271℃，这个温度比外太空的温度还低。由于这个原因，大部分加速器都与一个液态氦分流系统和其他设备相连，这个液态氦分流系统是用来冷却磁体的。

大型强子对撞机利用数千个种类不同，型号各异的磁体，给该加速器周围的粒子束指引方向。这些磁体中包括15米长的1232双极磁体和392四极磁体，1232双极磁体被用来弯曲粒子束，392四极磁体每个都有5到7米长，它们被用来集中粒子流。在碰撞之前，大型强子对撞机利用另一种类型的磁体“挤压”粒子，让它们彼此靠的更近，以增加它们成功相撞的机会。这些粒子非常小，让它们相撞，就如同让从相距10公里的两地发射出来的两根针相撞一样。

这个加速器、它的仪器和技术方面的基础设施的操作器，都安装在欧洲粒子物理研究所控制中心的同一座建筑内。在这里，大型强子对撞机内的粒子流将在加速器环周围的4个区域相撞，这4个区域与粒子探测器的位置相对应。

大型强子对撞机产生的能量是其他粒子加速器以前都无法达到的，但是自然界中的宇宙光相撞产生了更高的能量。多年来，这种高能粒子相撞产生的能量的安全性问题，一直备受关注。据新实验数据和对相关理论的新认识显示，大型强子对撞机安全评估团已经重新校正了该团在2003年做出的一份调查分析。这个安全评估团由中立派科学家组成。

2003年，有关报告称大型强子对撞机碰撞不存在风险，因此没理由对安全问题过多关注。现在大型强子对撞机安全评估团对这些结论进行了重新审定和补充。不管大型强子对撞机将要做什么，自然界在地球和其他天体的一生中，已经这样做了很多次。欧洲粒子物理研究所科学政策委员会已经重新审查了大型强子对撞机安全评估团的报告，并对该团的观点表示赞成。欧洲粒子物理研究所科学政策委员会是由为欧洲粒子物理研究所的主管团体——董事会提建议的院外科学家组成。欧洲粒子物理研究所总结出的主要论据，可支持大型强子对撞机安全评估团的论文观点。任何对更多细节感兴趣的人，都被鼓励直接商讨这个问题和它涉及的技术科学论文。

宇宙射线

跟其他粒子加速器一样，大型强子对撞机在受控实验室环境中重新再现了宇宙射线的自然现象，这使科学家能对宇宙射线进行更加详细的研究。宇宙射线是外层空间产生的粒子，其中一些粒子通过加速，产生的能量远远超过了大型强子对撞机产生的能量。在大约70年的实验中，宇宙射线传播到地球大气层的能量及速度都已经被监测到。在过去的数十亿年间，地球上的自然界内发生的粒子撞击次数，已经相当于大约100万次大型强子对撞机实验，可是至今地球仍然存在。天文学家在宇宙中观测到大量体积更大的天体，它们都受到宇宙射线轰击。宇宙的运行情况，就如同像大型强子对撞机一样的实验每秒运行超过数百亿次。任何危险结果的可能性与天文学家看到的现实相矛盾，因为至今恒星和星系仍然存在。

微型黑洞

当比我们的太阳更大的特定恒星在生命最后阶段发生爆炸时，自然界就会形成黑洞。它们将大量物质浓缩在非常小的空间内。假设在大型强子对撞机内的质子相撞产生粒子的过程中，形成了微小黑洞，每个质子拥有的能量可跟一只飞行中的蚊子相当。天文学上的黑洞比大型强子对撞机能产生的任何东西的质量更重。据爱因斯坦的相对论描述的重力性质，大型强子对撞机内不可能产生微小黑洞。然而一些纯理论预言大型强子对撞机能产生这种粒子产品。所有这些理论都预测大型强子对撞机产生的此类粒子会立刻分解。因此它产生的黑洞将没时间浓缩物质，产生肉眼可见的结果。

虽然稳定的微小黑洞理论站不住脚，但是研究宇宙射线产生的微小黑洞结果显示，它们没有危害。大型强子对撞机内发生的撞击，与地球等天体和宇宙射线发生碰撞不同，在大型强子对撞机内的碰撞过程中产生的新粒子，一般比宇宙射线产生的粒子的运行速度更加缓慢。稳定的黑洞不是带电，就是呈中性。不管是宇宙射线产生的粒子，还是大型强子对撞机产生的粒子，如果它们带电，它们就能与普通物质结合，这个过程在粒子穿越地球时会停止。地球依然存在的事实，排除了宇宙射线或大型强子对撞机可产生带电且危险的微小黑洞的可能性。如果稳定的微小黑洞不带电，它们与地球之间的互动将非常微弱。宇宙射线产生的那些黑洞可以在不对地球造成任何危害的情况下穿过它，进入太空，因此由大型强子对撞机产生的那些黑洞也可继续停留在地球上。然而，宇宙中有比地球更大更密集的天体。宇宙射线与中子星或白矮星等天体相撞产生的黑洞可处于休眠状态。地球等这种致密体继续存在的事实，排除了大型强子对撞机产生任何危险黑洞的可能性。

奇异微子与‘天使粒子’

奇异微子是针对一种假设的微小“奇异物质”产生的术语，奇异物质包含几乎与奇异夸克数量一样的粒子，‘天使粒子’则是探索‘马约拉纳费米子’一种正负粒子同体的‘独立’粒子晶格。据理论成分最高的研究显示，奇异微子在一百万分之一千秒内，能转变成普通物质。但是奇异微子能否与普通物质结合，变成奇异物质？2000年相对论重离子对撞机(RHIC）在美国第一次出现时，人们提出了这个问题。当时的一项研究显示，人们没有理由关注这个问题，现在相对论重离子对撞机已经运行8年，它一直在寻找奇异微子，但是至今仍一无所获，奇异微子也许是一种重质量的‘惰性中微子’的存在。有时大型强子对撞机就像相对论重离子对撞机一样，需要通过重核子束运转。大型强子对撞机的光束拥有的能量将比相对论重离子对撞机的光束拥有的能量更多，但是这种情况使奇异微子形成的可能性更小。就像冰不能在热水中形成一样，像这种对撞机产生的高温，很难让奇异物质结合在一起。另外，夸克在大型强子对撞机中比在相对论重离子对撞机中更加微弱，这使它很难聚集奇异物质。因此在大型强子对撞机内产生奇异微子的可能性，比在相对论重离子对撞机内更小。这个结果已经证实奇异微子不会产生的论点。

真空泡沫

曾有推测认为，现在宇宙没处在它最稳定的状态，大型强子对撞机产生的微扰将能让它进入更加稳定的状态，这种状态被称作真空泡沫，在这种状态下人类将不复存在。如果大型强子对撞机确实能做到这些，难道宇宙射线碰撞就无法达到这种效果吗？由于目前在肉眼可见的宇宙中的任何地方都没产生这种真空泡沫，因此大型强子对撞机将不能产生这种物质。

磁单极子

磁单极子是假设中带单极性磁荷的粒子，每个只拥有北极或南极。一些纯理论指出，如果它们确实存在，磁单极子将导致质子消失。这些理论还表示，这种磁单极子因为太重，根本无法在大型强子对撞机内产生。然而，如果磁单极子的重量足以在大型强子对撞机内出现，宇宙射线撞击地球大气层早就该产生这种物质了，如果它们确实存在，地球能非常有效地阻止并捕获它们，现在人们应该已经发现它们。地球和其他天体继续存在的事实，排除了能吞噬质子的危险磁单极子的重量足够轻，可以在大型强子对撞机内产生的可能性。

模拟爆炸

2010年11月8日，科学家们开始利用位于瑞士和法国边境的欧洲大型强子对撞机制造小型“宇宙大爆炸”，模拟近140亿年前宇宙形成的瞬间过程。

这是该机器第一次使用铅离子进行对撞，以往实验均使用质子。铅离子和质子统称“强子”，但前者比后者更大、更重。8日开始的实验取名为“爱丽丝”（ALICE），是“大强子对撞实验”的英文缩写。实验第一阶段任务将于今年12月完成。

在全长约27公里的环形轨道内部，两束铅离子束流朝着相反的方向前进，它们每运行一圈，就会获得更多的能量，速度也随之增加。对撞瞬间产生的高温相当于太阳核心温度的10万倍，即10万亿度。据信这个温度就是137亿年前宇宙大爆炸刚刚发生后百万分之几秒内的温度。在这一温度下将产生“夸克—胶子等离子体”。现有物理学理论认为，宇宙诞生后的百万分之几秒内，宇宙中曾存在过一种被称为“夸克—胶子等离子体”的物质。科学家们希望通过迷你“宇宙大爆炸”实验，解开宇宙形成之谜。