超级对撞机概念设计报告出炉 国家立项信号尚不明确

11月14日下午，大型环形正负电子对撞机（CEPC）研究工作组正式发布了CEPC的《概念设计报告》。

2012年，中国高能物理学家提出 CEPC 计划。由于身材庞大，CEPC被很多人称为“超级对撞机”。同时，因为耗资巨大，它也曾多次掀起物理学界争议。

项目的支持者认为，超级对撞机将使中国成为世界物理学研究中心，并促进工业技术发展；反对者认为这台对撞机将成为耗资巨大的无底洞，性价比不高。

“最早出现争议的时候，我们的争议还没有一个明确的对象，现在《概念设计报告》出来了，这为将来的讨论提供了基础，我们希望未来关于CEPC的决策可以立足科学问题。”CEPC机构委员会主席高原宁说。

环形正负电子对撞机概念图（中科院高能物理所供图）

在争议中推进的“希格斯工厂”

2012年7月4日，在欧洲核子研究中心（CERN）的加速器大型强子对撞机（LHC）上工作的超环面仪器（ATLAS）和紧凑缪子线圈（CMS）两个实验同时观测到了希格斯粒子。

希格斯粒子又被称为“上帝粒子”，因为它将质量赋予了已知的所有基本粒子。然而，依据现有的粒子物理标准模型，人类还无法计算或预言希格斯粒子自己的质量。

在观测到希格斯粒子之前，人们一直以为需要将两个粒子的能量提升到很高很高才能对撞出希格斯粒子，但是，2012年的那两个实验让人们意识到，观测到希格斯粒子所需要的能量比预期要小，只有约1250亿电子伏特（125GeV）。

于是，下一代正负电子对撞机发展的新思路诞生了——可以建造能量较低、实验环境更为干净、性价比更高的正负电子对撞机，大量产生希格斯粒子，形成“希格斯工厂”，进而对希格斯粒子进行系统研究，并发现新的物理现象和物理规律。

当全世界为观测到希格斯粒子欢呼时，2012年，中国高能物理学家提出了CEPC计划，并启动了该项目的预研，团队用两年多时间发布了《初步概念设计报告》。

然而，就在《初步概念设计报告》发布后不久，CEPC引发了物理学界的广泛争议。诺奖得主杨振宁的《中国今天不宜建造超大对撞机》将争议引向高潮。

杨振宁认为造巨型对撞机是“进无底洞”；建造花费巨大，将会影响其他基础科学的发展；高能物理要发展不一定要靠造巨型对撞机，也有不费钱且符合世界经济发展趋势的途径等。

之后，CEPC团队用了三年时间，正式完成了《概念设计报告》。

“《初步概念设计报告》之所以是‘初步’，就是因为有一些设计没有达到预期指标，但是《概念设计报告》意味着CEPC已经可以在理论层面达到预期指标了。”CEPC机构委员会副主席、中国科学院高能物理研究所研究员高杰告诉记者。

他表示，接下来，CEPC项目团队将以《概念设计报告》为基础，完成关键技术预研，计划于2018年至2022年间建成一系列关键部件原型机，验证技术和大规模工业加工的可行性。

“这项工作的严肃性在全世界引起了越来越多的关注，并为下一步的《技术设计报告》和工程设计以及未来建设计划时间表的可行性奠定了良好基础。”台湾大学教授、亚洲高能物理委员会主席侯唯恕说。

一个耗资300多亿的“大圈”

按照概念设计，CEPC将是一个埋在地下100多米处的、周长100公里的“大圈”，至少会有两台探测器同时进行科学实验。

中国科学院高能物理研究所研究员阮曼奇介绍，CEPC以秦皇岛地质结构为参考，进行了概念设计研究，预期于“十四五”开始建设，并于2030年前竣工，预估大约将耗资300多亿人民币。

这个“大圈”由两大部分组成，一部分是加速器，另一部分是探测器。

阮曼奇介绍，加速器主要负责产生正负电子并加速，最终精确聚焦对撞、制造极端环境，产生具有科学研究价值物理事件。加速器的主要组成部分是一个小型直线加速器，和一个与对撞储存环同样长度的增强器，把正负电子的能量提高到研究所需的值。能量达到研究所需后，粒子就会送入两个储存环进行对撞。

探测器则相当于具有可以高速、高精度拍照的立体显微镜，由多种不同的子探测器组成，用来记录带电和不带电的各种微观粒子，同时，这个“照相显微镜”也会采用最新的软件技术，与最新的大数据、机器学习等发展紧密相关。

在设计CEPC大致模样的同时，研究团队还规划了前10年的实验内容。

最初的7年内，CEPC将在质心能量2400亿电子伏特（240GeV）处运行，以研究希格斯粒子。随后2年，CEPC将在910亿电子伏特（91GeV）处运行，以研究 Z 玻色子和重味物理。另外一年时间，CEPC计划在1600亿电子伏特（160GeV）附近研究 W 玻色子物理。

而在这10年后，CEPC 未来可能发展方向之一是升级为一个超级质子-质子对撞机（SppC），质心能量将达到100万亿电子伏特（100TeV），以便在大范围内直接寻找新的物理现象和物理规律。

阮曼奇介绍，在为期十年的实验计划中, CEPC将生产超过100万个希格斯粒子，此外还将生产一亿个W玻色子和近1万亿个Z玻色子。

“CEPC计划与国际稍早的国际线性对撞机（ILC）、紧凑型线性对撞机（CLIC），以及同时期的未来环形对撞机（FCC）项目处于竞争地位。”阮曼奇说。

等待国家支持

在《概念设计报告》的扉页，可以看到很多国内外科学家的签名。

“签名者一部分是参与报告研究和撰写的人，还有一部分是支持并有意愿参与CEPC研制工作的人。”高原宁说。

在高原宁看来，CEPC的首要物理目标是深入研究希格斯粒子的性质，从而探索高能物理面临的重要问题，国际科学界参与CEPC研制的兴趣越来越浓厚，也正是因为这样的科学目标具有重要意义。

“国际高能物理界非常希望参加 CEPC 的研发和将来的科学实验，这将会大大促进人类对物质最基本组成单元的进一步理解。”国际未来加速器委员会和亚洲未来加速器委员会主席、墨尔本大学教授Geoffrey Taylor说。

高原宁告诉记者，目前国家在立项方面还没有给出明确的信号，科学家们期待着以政府间合作的形式推动CEPC的预研和建设。

CEPC 指导委员会主席、中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士王贻芳表示，对于中国的高能物理来讲，这是一个绝佳的历史机遇，一方面，该方案可以进一步理解希格斯粒子的性质、宇宙早期演化、反物质丢失、寻找暗物质、真空稳定性等一系列未解的关键科学问题和寻找新的物理规律。另一方面，中国有通过努力建成自己的希格斯工厂和国际领先的“创新合作平台”，成为该领域全世界的领跑者。