社科在线
原创学术新媒体!

成为下一个高能物理的世界领袖,中国可以么?

编者按

2012年7月,在欧洲核子中心的大型强子对撞机上发现希格斯粒子后,为了进一步精确研究希格斯粒子的性质,欧洲、中国、日本、美国都有意建设专门的大型对撞机。围绕着下一代大型对撞机的建造,之前已经有很多的讨论,本文重新审视花费几百亿建造这种大型科学装置背后的理由、现状,以及中国是否最终可能主持建造的可能性。

撰文 | 邸利会

责编 | 陈晓雪

1、古老的问题

介绍二战后持续至今的和平时期,粒子物理的进展伴随着大型加速器的建造,随之而来的是政府和社会的疑问,说明相对于小科学,大科学的特殊性和它所面临的决策挑战。  

2、推开新世界的大门 集中解释为什么要进一步研究希格斯粒子的性质,为何它在科学上具有不可替代的重要性。

3、专门的希格斯工厂

解释既然大型强子对撞机已经发现并大量产生了希格斯粒子,为什么还要“另起炉灶”,建造专门的大型对撞机?  

4、谁拥有下一个旗舰? 展现围绕着建设希格斯工厂,欧盟、中国、日本、美国粒子物理学界已经取得的共识,以及这四家潜在的主持建造者的现状和竞争态势。

5、万里长城

重点叙述中国在建造希格斯工厂方面的经过以及现阶段取得的成绩,讨论在目前按照原计划即将进入开工建造阶段时,是否可能获得国家层面的正式批准。

图1 1969年10月,罗伯特·R·威尔逊(Robert R. Wilson,高举手者)在主环加速器(the Main Ring)奠基仪式上 | 图源:费米实验室

1、古老的问题

如果威尔逊能活到现在,或许他会拍着肩膀,用慈爱的目光安抚他的这些后辈们——“嗨,孩子们,别怕,你们的这些个遭遇,我一早就经历了。”

大概半个世纪前,在1969年4月17日,作为费米实验室的主任,威尔逊在原子能联合委员会面前作证,为的是造一台质子加速器。[1]

主持会议的参议员约翰·帕斯托(John Pastore),一次次不厌其烦地问,这台加速器是否有助于国家安全?

“不能”,几乎没犹豫,威尔逊干脆地说。

帕斯托本想支持这个项目,对威尔逊的回答,他多少有些不甘。

最后,帕斯托换了种方式问,这个加速器是不是有助于保持对苏联的竞争力?

这时,威尔逊说出了这段日后传为美谈的话——

“只能从长期来看,(这个研究带来的)技术发展可以;除此之外,这仅和如下有关:我们是不是好的画家、好的雕塑家、好的诗人?我的意思是,(该项目)只和我们这个国家所尊崇的所有那些美好的事物有关,因为它们的存在,我们爱这个国家。从这个意义上,这个项目带来的新知识,与荣誉、与爱国有关,和国家安全没有一点直接的关联——只是我们觉得,做这件事,让这个国家更值得被保卫。”

战后核物理学家的地位虽不比从前,但当时美苏争霸,是否建立反弹道导弹系统正在激烈的辩论中,威尔逊哪怕往国防上蹭个一星半点,这个项目获批的概率都会大大增加。

但威尔逊没有选择这样做,他选择了实话实说。他所争取的质子加速器,纯粹是为了揭示自然的奥秘。他说——

“造这台机器有望解答人类长久以来的一些疑问,比如,有没有对自然的更简单的理解,用几种而不是这么多的‘基本’粒子就可以解释一切物质和生命复杂性。”

对于这些科学上的描述,一般人即使能听懂个大概,也不见得会有强烈的共鸣。事实上,整个听证会更多地集中在 “非科学” 的层面,参议员们关心的仍然是,科学之外,建这个加速器,还有别的用处么?

例如,帕斯托就曾在听证会上连珠炮似地诘问——

全国还有多少人在忍饥挨饿,住在老鼠乱窜的房子里,花2.5亿美元建造这台机器,究竟能做出什么发现?你们号称找 “想象中的未知的力”,却反对建造反弹道导弹系统,说做不成,到底能不能做成?是不是只有教育和学术方面的价值?到底是送人上月球更重要呢,还是先喂饱挨饿的孩子更重要……

通常来说,一个基础性的科研项目,科学的目的本身就够了,但依赖于大型科学装置的粒子物理实验,似乎是个例外。

在二战后持续至今的和平时期,在失去国防这一最大的 “正义” 后,面对政府和社会的疑问,威尔逊和他的后辈们,需要为粒子物理这个领域的继续发展(通常伴随着大型加速器的建造)寻找一个有说服力的支撑。

如果直接的科学理由一般人不容易听懂,那只好搬出间接的经济的、技术的、社会等层面的理由。

威尔逊就举出了核能的例子,“如果不是早期对核能的基础性探索,就不可能有核电站,我们今天站在这就吸不上洁净的空气”。

他还提到,长期来看,基础研究的结果会带来直接的新的技术,另外,因为加速器涉及的都是很奇特、实现极其困难的技术,也会间接带来相关的技术进步,例如斯坦福大学直线加速器的速调管,早期回旋加速器研究的真空泵,以及在战时非常有价值的高频振荡器管,计算机技术,所有这些都源自加速器的工作 ……

有趣的是几十年过去,粒子物理学家们,还不得不继续为一个本来是探索科学的项目,拿这些 “科学之外” 的理由作 “挡箭牌”。最近有关建造下一代对撞机的讨论,某种程度上,也是这种尴尬情形的延续。

2012年7月4日,欧洲核子研究中心(CERN)宣布,在瑞士日内瓦近郊的大型强子对撞机(LHC)上发现了酷似希格斯(Higgs)的粒子。不久后,中国、欧洲、日本的高能物理学家陆续宣布,他们将建造称之为“希格斯工厂”的对撞机,以精确测量希格斯粒子的性质,期待找到超越标准模型的新物理。而美国在宣布支持日本的希格斯工厂计划后,最近也在跃跃欲试,筹划主持建造希格斯工厂。

不出意料,问了几十年的 “老问题” 再次浮现——

人民可以负担得起么?是不是有其他更需要花钱的事情?会不会挤占了其他领域的经费……

围绕中国是否主持建造希格斯工厂,过去几年中,也发生了激烈的辩论,引来了社会公众的极大关注。

中国的 “希格斯工厂” ——环形正负电子对撞机(CEPC)预算在360亿左右,主要由中国科学院高能物理研究所首先提出并推动实施。

质疑者关心的一个重要问题是,今天的中国,可以负担如此规模的大装置么?花这笔钱值么?

支持者,如美国杰斐逊国家实验室的资深科学家张裕宏,认为中国目前己具备强大国力,可以建造数百亿元人民币级别的大科学项目。[2]

他提出,相对人均负担(即大科学装置分摊的人均造价与人均GDP之比)更能准确反映一个国家对大科学项目的承受能力。在大科学装置总造价确定的情况下,一个国家的GDP越高,就越能负担得起。

据中国国家统计局,2021年,中国经济总量达114.4万亿元,突破110万亿元,稳居世界第二。[3] 用360亿人民币除以110万亿,得到CEPC的相对人均负担为0.00032,约万分之三;考虑到360亿是项目执行十年内总的投资,如果按每年开销36亿算,只有十万分之三。与其他几个建造大装置的国家和地区比较后,这个数值并不高。

在 “值不值” 的问题上,有意见认为,与其拿这笔钱造对撞机,不如用到更紧急的事情上,比如 “扶贫”。

“都这么问的话,那真的什么都不要做了”,中国科学院高能物理研究所研究员阮曼奇说,“在解决贫困之前,不要修铁路,不要办教育,不要发展科学。”

贫困人们的生活需要得到改善,但也许不该与高能物理的大项目花费形成直接的竞争关系,在他看来,毕竟粒子物理学家并不是挪用了“扶贫”款的人。

“十亿美金或者百亿人民币级别的项目,确实是大项目,就像刚刚美国航空航天局发射的韦布望远镜,花费达到了百亿美金。这些大项目,不是儿戏,我非常赞同大家认真来讨论,但套用赵本山的一句话,不差钱,关键是不是被列在了优先级上。” 美国匹兹堡大学物理及天文系教授韩涛说。

他进一步将希格斯工厂与其它花费不菲的项目做了比较——

“中国高铁百公里造价也上亿人民币,CEPC相当于造300公里的一条高铁,相当于建一条北京5号地铁线;同样,美国的军备投资一天就超过20亿美金,140亿人民币。希格斯工厂虽然规模大,但10年50亿美金不是拿不出,主要看愿不愿意。”

单个项目上百亿的预算,让一般民众,甚至其他领域的科学家 “羡慕忌妒恨” ——同样是一个科研项目,经费的差别怎么这么大?

“这主要是因为大科学的特点。依托大型专用装置的科研项目通常是成百上千人,持续几十年的努力,” 阮曼奇说,“它的特点、残酷性也在于此。”

他拿发现希格斯粒子举例,LHC的设想始于1980年代初,直到1994年12月,CERN委员会才批准了建设;2009年11月实现第一次质子对撞;2012年7月4日宣布发现希格斯样子的粒子,论文作者署名创下5154名的纪录 [4]。LHC的建造超过了47亿美元,一些测算表明,最终发现希格斯的总花费超过了130亿美金 [5]。

而拿单一的大科学项目和常见的实验室小项目比较,在高能物理学家看来,并不公平。

“首先要搞清楚,大科学和小科学并不是花钱上的区别。其实,我觉得小科学,因为项目数量多,在一个领域也许花的更多,两者只是模式上的区别。大科学集中在一两个中心,依靠大装置做实验,而小科学分散在几百个实验室。有些项目是必须用大科学来做,包括高能物理,天文观测;而有些项目适合小科学做,比如研究冷原子的,也不需要做一个大装置。” 芝加哥大学物理系教授王连涛告诉《知识分子》。

在2021年1月的一次报告中,中国科学院高能物理研究所所长王贻芳在谈到CEPC项目时直接表示 [6],“大家都说我们占了人家的经费,但其实我们是将20年的钱集中在一个项目上,基础研究领域现在一年一千亿左右,全部领域都算上,我们也就差不多二三十亿,就是我们这个领域自己的钱,我们只是用不同的方式来花这个钱而已。人家是把钱分布在各个课题上,我们是集中起来一起建一个装置。”

王贻芳认为,在高能物理领域,相对于欧盟、美国的投入,中国仍然偏少。

“美国现在是每年12亿美金,欧洲是每年15亿欧元,中国GDP是他们的二分之一,每年应该有40个亿,如果考虑研究经费相对低一些,三分之一差不多是13个亿,未来到2025年达到目标每年30亿不是问题,这是应该的,我们没有多花一分钱,没有占别的领域一分钱,这也是我们的合理需求。” 王贻芳在上述报告中说。

此外,单个项目花费较大,容易引发公众的关注,所谓“树大招风”。这也是大科学的一大特点。[7] 而海量的小科学项目,往往内行们评审通过就可以了,公众都去关心没有必要,也不现实。

与之相伴随的潜在危险是,当行政机构决策大科学项目时,可能仅从财力的角度,或者公众的态度出发,忽视真正的科学和技术的层面。

曾任斯坦福加速器中心主任的潘诺夫斯基(Wolfgang K. H. Panofsky),在反思中途下马的美国超导超大对撞机(Superconducting Super Collider, SSC)时,不无沉痛地说——

“在控制成本的名义下,该做的技术和设计方面的考量得不到鼓励。对可选的另外的技术路线做决策时,经常受政治接受度的干预扭曲,有时拖着,甚至完全搁置 …… 关键的科学和技术人员在决策链中经常处在低端的位置 ”。[7]

与SSC的命运不同,威尔逊拥有一个美好的结局,他成功说服了国会,费米实验室的首台加速器 the Main Ring 顺利开建,日后做出了包括最重的基本粒子顶夸克在内的不少发现。

今天,当各地的高能物理学界准备建造希格斯工厂时,他们能不能像威尔逊那样 “闯关” 成功,目前看,还有很多的不确定性。

2、推开新世界的大门

在粒子物理学家眼里,建造希格斯工厂可以带来很多好处——

长期来看,基础科学的突破可以带来技术革新,产业进步,进而改善人们生活,就像威尔逊所举的核电站的例子;大装置的运行,其极端环境,海量数据,无比苛刻的精度等,间接地可以催生新的技术和产业,就像当年在CERN工作的蒂姆·伯纳斯·李(Tim Berners Lee),为方便粒子物理学家交流,发明了万维网;成千上万不同国家的人才聚在大平台上,互相激励、合作,利于促进主办国的科学走向国际化;甚至,巨型的科学装置天然地是一个城市的名片,恰如日内瓦的CERN,吸引大批慕名而来的游客(其中有很多孩子),他们中的一些人也许自此喜欢上了科学 ……

不过,在所有这些动机中,真正让粒子物理学家愿意倾注几十年心血,打造这款 “旷世神器” 的,是一种无法抑制的冲动——对自然界的好奇。

那么,在科学上,建造希格斯工厂的意义究竟何在呢?

2012年,希格斯粒子的发现,代表了物理学一个程碑式的成就,粒子物理标准模型的恢弘大厦落成,令人赞叹;但另一方面,粒子物理学家的内心却有几分不安——希格斯的存在,就像是美轮美奂的大厦之上,一道醒目的裂痕。

“奇怪”,这是粒子物理学家描述希格斯经常用到的词——

在所有粒子当中,希格斯是唯一自旋为零的粒子;它有自我的相互作用;希格斯场打破了 “对称”,赋予了基本粒子以质量,凭什么它这么能干?

图2 希格斯机制的卡通解释 | 图源:CERN

基本粒子通过希格斯场获得质量的想法,也就是 “希格斯机制”,可以追溯到上世纪60年代,由英国理论物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)等人提出。之后,科学家就想着哪一天可以真正在实验上检验这一想法。

早在1993年,当LHC还只是停留在纸面上的构想时,CERN的物理学家向当时的英国科学部长推荐这个机器。

可部长觉得,让英国纳税人贡献这么多钱给一个几乎听不懂的项目(包括他自己也不懂)似乎不妥,就布置了一个作业给物理学家:谁能用一页纸说明白希格斯是什么,就可以赢得他的香槟。

最终,几位物理学家接受了挑战并成功喝到了香槟。《知识分子》稍微做点人物替换引述如下——

设想Angelababy和不知名的某路人甲走进同一个宴会,他们来的早,会场一个人没有。假定他们自然走动的步速一样,这样,他们穿过会场花的时间一样。之后,人们陆续到来,塞满了会场,Angelababy和路人甲再试着穿一遍会场。路人甲碰到几个熟人,打个招呼,但基本上能很快从一边走到另一边。但Angelababy就不一样了,很多人认识她,围着她握手、交谈、拍照,看起来她的 “质量” 变大了,她穿过会场也不再那么容易。

这里,会场的人相当于是希格斯场,“Angelababy” 粒子和这个场的 “相互作用” 很强,她的 “质量” 就很大;而路人甲几乎不和这个场有来往,“质量” 就很小。

图3  标准模型中的粒子。红色的为夸克,绿色为轻子,紫色为标准玻色子,黄色为希格斯粒子。最外一圈的夸克和轻子为费米子;紫色的一圈,包括希格斯粒子为玻色子。

说到粒子,在标准模型中,基本粒子分为费米子和玻色子两类。费米子自旋为1/2,占据着空间,两个一样的费米子无法叠在一起,就像没办法把两个人压成一个人。玻色子的自旋为0或者1,可以堆在一起,自旋为1的玻色子传递相互作用。费米子包括的六种夸克,六种轻子,都有质量。玻色子除了光子、胶子没有质量外,传递 “弱力” 的一对正负W粒子和Z粒子,包括希格斯粒子都有质量。

这里的规则非常简单:如果粒子质量为零,意味着它不和希格斯场有直接的相互作用;如果质量不为零,质量越大,它和希格斯场的相互作用就越强。

就这样,希格斯场赋予了所有基本粒子以质量。如果没了它,世界将大为不同。

在粒子物理的认知里,真空不空,充满了各种基本场、转瞬即逝的粒子和时空泡沫。而在我们身处的宇宙中,希格斯场无处不在、有一个非零的,甚至可以说是巨大的真空期望值(246GeV)。

我们试着把这个不为零的希格斯场调低到零,看看会发生什么。

在一般人的印象中,电子绕着原子核转,就像地球绕着太阳转,但其实两者迥然不同。电子虽然受原子核吸引但不会掉到原子核里,它只能尽量靠近原子核,以保持能量最低的状态。而电子离原子核的远近和它的质量相关,如果重些,靠的就近;轻些,就离的远。换句话说,原子的大小和电子的质量紧密相关。

希格斯场真空期望值变小,电子质量会变小,相应地,原子将会变大。

原子变大可不得了。别忘了,所有的化学、所有的生命,都依赖于原子。原子变大,一些高级的分子,如DNA,蛋白质都会崩坏,生命也将终结。

如果希格斯场不断变小,原子可以变得和太阳系一样大,甚至变得和银河系一样大,到时候宇宙里就只剩下些跳跃的巨型原子。

更可怕的是,如果电子质量进一步减小为零,那么它将以光速运行,无法束缚在原子核周围,那么原子将不复存在。而电子的两个更“胖”些的姐姐,缪子和陶子,本来就只是质量上有差别,此时将变得完全一样,不可区分(上、粲、顶夸克也将完全一样,下、奇、底夸克也会完全一样)。

简言之,没有希格斯,宇宙将变得如此单调和乏味。它足够简单,却异常强大。

“希格斯是一个标量场,连方向都没有,就是个简单的数值。就像是一位纤细、瘦弱的管家,给人类把床铺好,把饭做好,把所有人都照顾得很好,这本身就是很奇怪的事。这个管家是谁?为什么这么能干?为什么要这么做?” 阮曼奇说,“另一方面,希格斯场和标准模型中绝大部分参数紧密相关。这些参数只有被调节到合适的取值,原子、恒星、星系等结构才有可能产生,人类才有可能诞生于这个宇宙,生存、繁衍,并观测这个宇宙。”

标准模型中的一系列参数,包括有基本粒子的质量,以及它们之间相互作用的强度。这些参数中,除了三个规范耦合常数之外,所有的自由参数,都和希格斯场有关。一些关键参数稍微变化,宇宙就会完全不同。

在他看来,希格斯粒子的发现远不是结束,而是新的开始,前方是更广阔的未知天地。这也是粒子物理学家建造“希格斯工厂”的初心——通过更为精细地测量希格斯的性质,期待破解更多的谜团,发现超越标准模型之外的新物理。

说到标准模型,则是那种接近于“解释一切”的理论。

环视周围的一切,发光的太阳,闪耀的群星,山川,河流,铁路,大桥,自然的,人造的,一切的一切,包括我们自己,说到底都是由几种基本粒子和它们之间的相互作用而塑造。发现希格斯粒子后,经常听到的一个描述是,“补上了标准模型的最后一块拼图”。但这样的说法,显然是过度夸大了。仍然有太多的现象,是迄今为止的标准模型所无法解释的。

比如,按照目前的观测,宇宙中68%的物质以暗能量形式存在,27%以暗物质形式存在,而标准模型粒子只占宇宙中所有物质的5%。一个合理的猜测是,既然希格斯场赋予了基本粒子以质量,会不会也和暗能量、暗物质有关?

再比如,为什么标准模型里面费米子的质量差别如此的大?最小的电子,只有5/10000GeV,而最大的顶夸克,有173GeV。如果说它们的质量都由同样的希格斯机制产生,怎么差了5个数量级?

遗憾的是,粒子物理学家不清楚这些参数为什么是这样的取值,比如电磁相互作用的强度,由一个“精细结构常数”所刻画,接近于1/137。他们觉得,背后一定有某些更深的原因。

对于希格斯粒子的质量也是一样。“为什么它比质子重100倍,而不是一万倍?” 王连涛反问道。

希格斯粒子就像是希格斯场的振动,和其它基本粒子一样,它也通过希格斯场获得质量。但在量子理论中,希格斯的质量会受到每一个和它有相互作用的粒子的贡献,而这些贡献每一个都会比希格斯的质量大很多。所以,希格斯的质量似乎是这些贡献 “碰巧” 相互抵消的结果。

这种 “巧合”,在粒子物理学家看来,很不 “自然”——如果不是有某种还不知道的机理在背后起作用,希格斯粒子的质量不能这么低。

“如果有种新的物理可以解释希格斯的质量,那么这个新物理肯定有跟希格斯相互作用的,会对希格斯的性质产生影响,这个是必须的,是逃不掉的。所以,对希格斯粒子性质的测量肯定会揭示那种新物理的踪迹。” 王连涛说。

那么,接下来,理论家和实验家关心的问题是,如果有某种新物理能最终解释希格斯粒子的质量,它到底处在怎样的能区,或者在多么小的微观尺度?

“最简单的想法是,我们目前对自然界的认识中,是不是还有一个更加微观的尺度?有的,这就是量子引力的普朗克尺度,1019GeV,比希格斯粒子的质量多17个数量级。这就很奇怪了,由于要受到量子涨落的限制,你很难发明某个公式,从1019算出100来。” 王连涛说。

这种巨大的能量的差距,物理学家称之为 “等级问题”。

“希格斯粒子的质量就是等级问题的一个出处,它对新物理的敏感性显然是任何粒子都不能取代的。” 韩涛说。

如果有某种新的物理存在,研究希格斯还有望解释另一个著名的问题—— “电弱相变”。

图4  早期的宇宙 | 图源:https://arxiv.org/pdf/1205.2451.pdf

今天的宇宙,希格斯场的值不为零。但有可能在宇宙的早期,宇宙大爆炸之后的约万亿分之一秒,当时宇宙的密度、温度很高,希格斯场在零附近快速摆动,平均来说是零。这时,所谓的 “对称性” 没有遭到破坏,所有的费米子都没有质量,W和Z玻色子的质量也为零。之后,希格斯场的值从平均为零转变到某个非零的值,自此一些粒子开始获得质量。

“标准模型的粒子从没有质量到有质量,这本身是一种相变。” 王连涛说,“这种相变和水煮开,超导体里面的相变原则上其实差不多。希格斯粒子的自相互作用如何,其实决定了相变到底更像哪种。另外,我们知道宇宙中粒子比反粒子多,这可能是在电弱相变过程中产生的。如果通过希格斯粒子的实验室研究,结合宇宙学的观测,两者相互印证,那就有希望破解这些难题。”

以上种种的疑问,虽然不全面,但代表了建造希格斯工厂,对其进行精确测量的科学方面的考虑。

“中微子物理、核物理、固态物理等低能的物理都很重要,都需要研究,但很难对高能区、更小尺度的前沿给出太多的回答。希格斯粒子是对高能、高尺度的粒子最敏感的,它的独特性是其它研究不能取代的。” 韩涛告诉《知识分子》。

“如果人类就此打住,不搞希格斯工厂,在我看来太可惜、也太荒谬了。” 阮曼奇说。

3、专门的希格斯工厂

图5  在高能所的办公室里,阮曼奇为笔者讲解希格斯粒子的衰变 | 摄影:邸利会

做科学的人都会规划自己的研究,很多也许只考虑自己的兴趣就可以了。粒子物理学家则不然,尤其面对一些投资巨大、跨越几十年、涉及上千人的科学大装置时,他们必须聚在一起,相互讨论、协调,做出审慎的决策。

经过两年的反复研讨,2020年6月,CERN委员会发布了欧洲未来粒子物理的规划,将希格斯工厂FCC-ee(未来环形对撞机-正负电子对撞阶段)作为LHC之后最优先建造的装置。LHC目前正在亮度升级,预计2038年后停止运行。

FCC-ee为长100公里的环形正负电子对撞机,用于精确测量希格斯粒子的性质。

此外,CERN还将进行未来环形对撞机(the Future Circular Collider, FCC)的可行性研究。FCC为质子对撞机,将利用FCC-ee的100公里隧道,瞄准更高能区(100TeV),预计投资240亿美元。

让人吃惊的是,CERN的方案和中国的方案高度相似。其中,作为希格斯工厂,FCC-ee也和CEPC一样,决定用正负电子对撞产生希格斯粒子。

这当然不是巧合,而是几千名专家经过慎重考虑后的选择。

“LHC本身就是一个希格斯工厂,它已经产生了100万以上希格斯粒子,未来10年要产生5000万个希格斯粒子,它产生的希格斯粒子比未来的正负电子加速器里产生的还要多,从研究希格斯粒子粗略的性质看,今后10到15年,LHC还是领导我们研究希格斯粒子的前沿。” 韩涛告诉《知识分子》。

但是,CERN为什么还要另起炉灶,建专门的希格斯工厂呢?

“LHC的问题在于,其效率极其低下,背景极其肮脏,也许产生100个希格斯粒子都不一定能重建出来一个。” 韩涛解释说。

那么,用正负电子,而不是质子对撞产生希格斯粒子,到底有怎样的优势?我们先看一下,实际发生在LHC上质子和质子对撞的效果。

在LHC上,一个束流包括了1400个束团,每个束团里有超过1000亿个质子。尽管束团的截面已经是极其的小,仅有千分之二厘米,但相对于质子还是太大,因此束团的大部分都是空的。每次束团相遇,几十亿的质子间仅发生20多个相互作用。在探测器内,相向而行的束团穿梭而过,相遇的次数可以达到每秒2000万次。这样算下来,每秒实际有上亿次相撞。

问题是,即便上亿次的相撞,也不见得会有一个希格斯粒子产生。事实上,在LHC上,100亿个质子对对撞中只能产生一个希格斯粒子。

“而CEPC是一个极为干净的希格斯工厂,在240GeV的质心能量下,大约每几百次正负电子对撞中就能产生一个希格斯玻色子。换言之,相比LHC,CEPC上希格斯玻色子事例的信噪比高了近一亿倍。几乎所有的希格斯玻色子事例都可以被准确记录下来。” 阮曼奇说。

相比CEPC上的正负电子对撞,更糟糕的是,质子是“复合”粒子,像一个装着很多夸克、反夸克、胶子的口袋,这些更基本的组分称为“部分子”。质子相撞时,其实是部分子发生相互作用,但可惜的是,人们没办法确切知道到底是哪个部分子在相互作用,其相撞的能量大小也无法确定。

粒子物理学家常把质子对撞比喻成两个馅饼,或者两块手表以很高的速度撞在一起,结果就是撞得七零八落,碎片飞溅得到处都是。

在这点上,正负电子对撞要 “纯粹” 得多,无论是正电子还是负电子,都是基本粒子,其初始信息清楚明白,精确可控。

当然,理论物理学家知道,质子对撞中哪些部分子相撞可能产生希格斯粒子,比如两个胶子、W+W-粒子对,两个Z粒子,夸克和反夸克可以产生希格斯粒子;W粒子和Z粒子产生后也附带放出希格斯粒子。

但别忘了,所有这些产生的希格斯粒子 “淹没” 在了海量的其它对撞产物中。

好在,按照标准模型,基本粒子的种类就那么多,它们有不同的电荷、质量、相互作用,探测器首要做的就是根据这些特性,尽可能精确地捕获到它们。

相对来说,电子和光子是较容易捕获和精确测量的。可夸克和胶子,由于色禁闭效应,无法单独稳定存在。实验中产生的高能夸克或者胶子会碎裂(强子化)成大量强子,这些强子及其可能的衰变末态的总体形成所谓的 “喷注”。重建 “喷注” 并不容易,很不容易说明最初到底产生的是哪种夸克。

更糟的是,对撞产生一些很重的粒子,寿命很短,转眼就衰变成了别的粒子。希格斯粒子也是很重的粒子,寿命只有万亿分之一秒,不等到达探测器,立即就衰变成了其它粒子。

就衰变方式而言,希格斯粒子还有很多种。因为和重的粒子相互作用强,反应在衰变产物上,一般来说,越重的比例就越大。比如,对于125GeV质量的希格斯粒子,有57.7%的比例要衰变成底夸克对。

棘手的是,希格斯粒子衰变的产物也可能是别的重粒子衰变成的。比如,当探测器记录到一个谬子,你得先搞清楚这个谬子是来自希格斯粒子的衰变,还是Z粒子的衰变,或者别的什么情况。

图6  125GeV质量的希格斯粒子衰变模式以及所占的比例 | 数据来源:《CEPC概念设计报告,探测器和物理卷》

想象一下,一个希格斯粒子衰变后的产物和100亿个质子和质子对撞后的产物,以及部分这些产物衰变后的最终末态粒子,混杂在一起。然后你要在这一堆 “残骸” 中,重建出当时一个希格斯粒子的衰变过程。

物理学家 David Britton 曾这样描述在LHC上找寻希格斯粒子的困难——

“这就像在干草堆里找根干草,和你在干草堆里找根针不同的是,一旦你找到这根针,就知道找到了,针和干草不一样嘛,…… 唯一的办法是把干草堆里的所有干草都排起来,然后你突然发现,有那么一些有着同样的高度,这基本上就是我们要干的事情。”

图7 用费曼图表示的CEPC上希格斯粒子的产生过程,H表示希格斯粒子 |  图源:《CEPC概念设计报告,探测器和物理卷》

而在像CEPC这样的正负电子对撞机上,则要相对容易。

除了以上提到的产生希格斯粒子的效率高(大约每几百次正负电子对撞中就能产生一个希格斯玻色子)导致的背景噪音低,物理学家还能在不考虑希格斯粒子衰变的情况下 “锁定” 它。

“或许正负电子对撞机和质子对撞机最显著的不同在于,正负电子是基本粒子,不像质子那样的复合粒子,其对撞能量是非常清楚的。那么通过守恒定律,在一次对撞事件中,希格斯粒子的能量和动量就能从其它粒子的能量和动量推断出来,而不用通过直接测量希格斯衰变后的末态,这就省掉了很大的麻烦。” 阮曼奇说。

比如,考虑正负电子对撞产生希格斯粒子和Z粒子这样的模式(如图2a,CEPC上绝大部分的希格斯玻色子将通过这一过程产生),只要把末态的Z粒子的能量、动量测准了,用初态正负电子总的能量动量一减,就直接得到了希格斯粒子的能量、动量。

根据2018年发布的《CEPC概念设计报告》,因为这些优势,CEPC可在高亮度LHC测量的基础上,将希格斯粒子性质的测量精度提升10倍左右,对其主要衰变模式比例和相互作用常数的测量达到甚至超过1%的精度水平。同时,在希格斯粒子的宽度、稀有衰变模式比例等测量上,CEPC的精度也将远超过高亮度LHC。

不太意外,包括日本的国际直线对撞机(the International Linear Collider, 以下简称ILC),虽然采用了20公里长的直线型设计,也是基于正负电子对撞。

接下里的问题是,谁将在希格斯粒子工厂的竞赛中胜出?

4、谁拥有下一个旗舰?

粒子物理学界有一个 “传统”,每当发现一个新粒子,总要建设专门的粒子工厂对其进行更细致的研究。看来,希格斯粒子也不会打破这个传统。

“任何一个基本粒子发现后,都要建相应的粒子工厂,而且不止一个。很多人讨论要不要建希格斯工厂,你可以讨论,但建是肯定要建的。LHC不会是最后一个机器,希格斯工厂肯定要建,只是什么时间、在哪、谁建而已。” 韩涛说。

图8  历史上发现的粒子以及相应建立的粒子工厂 | 韩涛提供

欧洲未来粒子物理的规划,已将建造希格斯工厂列为最优先考虑的项目。不过,其建造至少在2038年后才开始。

“LHC现在运行挺好的,接下来还有很多物理成果要出,如果现在停了,那是个巨大的错误。所以,它不可能加速,这是它最主要的问题。那个规划,看上去就让人很丧气。如果谁也不做,那大家就慢慢等它做。” 王连涛说。

不过,欧洲明确建造希格斯工厂后,已经开始发力。

“CEPC和FCC-ee之间是直接的竞争关系,在他们的规划出来以后,已经配置了不少资源。我记得大概有4亿瑞郎(约24亿人民币)的样子,这个事情对我的刺激有点大。” 阮曼奇说。

他指出,要建一个300亿元的项目,一开始必须要有10亿元量级的资源来进行一些系统的研发,才能最后确定这个东西是好用的。

“24亿人民币的投入可以让他们整个的项目变得非常优化,那么对我们就形成了很大的压力。如果我们CEPC不往前走的话,真的很快就会被追上。” 阮曼奇说道。

图9  在CERN工作期间,阮曼奇和LHC合影 | 阮曼奇供图

在几个希格斯工厂候选者中,日本的ILC历史最长。其最初并不为研究希格斯而设。

2004年8月,国际未来加速器委员会(ICFA)决定,未来的直线对撞机应该基于超导技术,ILC改名为现在的名称,设计的质心能量为 500 GeV。2005年,ILC全球设计工作组由曾担任美国SSC项目发言人的巴里·巴里什(Barry Barish)教授组建并领导。2007年,ILC参考设计报告(Reference Design Report, RDR)及参考造价正式对外发布。2013年,ILC 技术设计报告(Technical Design Report, TDR)正式对外发布。

2017年7月,考虑到LHC第二阶段的实验结果后, ILC重新调整了方案,转而改造成希格斯工厂。2020年,ILC成立了国际开发团队(The ILC International Development Team, ILC-IDT),预计在四年内建立Pre-Lab。

虽然各项工作一直在推进,但不幸的是,日本的物理学界还在ILC和其它的项目间做选择,比如投资6亿美金的中微子探测项目巨型神冈探测器。日本政府也很暧昧,迄今没有明确表态——在近70亿美金的费用中,日本政府一直希望自己最多出一半,剩下的一半由其它国家来负担。

“日本的ILC就卡死在这,就说一半的钱要国际出,可现在也没人出。” 王连涛说。

相比于环形的正负电子对撞机,以ILC为代表的直线对撞机,优点是可以节省因电子绕环产生的同步辐射能量损失,但缺点是只有一个对撞点。为了提高撞击的几率,其对撞点将小于10个纳米,差不多100个原子的宽度。

“直线对撞机的问题是它产生的希格斯粒子的数量不够多,我觉得这点它比过环形对撞机。直线对撞机真正的优势还是要到更高的能量去,而不是做希格斯工厂。” 王连涛说。

此前,在建造希格斯工厂的角逐中,美国从未表示要亲自下场。不过,从最近正在紧锣密鼓进行的Snowmass 2021来看,情况有所变化。

在过往的40年,美国粒子物理学家每7~10年周期性地聚在一起,通过提交意见书,开研讨会,做报告等方式,凝练未来最重要的科学问题,以及可能的解决方案,为未来几十年的发展规划蓝图。由美国物理学会粒子与场分会组织的Snowmass 2021从2019年秋天开始筹划,分十个科学前沿,有接近100个工作组参加。

韩涛是Snowmass 2021领导小组(the Steering Group)的10位科学家之一。他介绍,受疫情的影响,Snowmass的活动中间停顿了8个月,现在决定在2022年3月15日提交所有工作组合作的报告,“有趣的物理结果、观点态度,都要写出来”。

“7月中旬,所有人到西雅图开总结大会,完了每个工作组回去完善写作;10月底,我们10个人组成的领导小组,将综合所有的报告,写出一个执行摘要。最后的报告书有上千页,在10月末提交。至此Snowmass的进程结束。” 韩涛告诉《知识分子》。

不过,Snowmass 形成的报告只涉及物理内容,不涉及未来的规划和实施,也不排优先级。

图10  最近,费米实验室绘制了各种希格斯工厂的草图 | 韩涛供图

在Snowmass之后,美国能源部和全国科学基金会委托的高能物理顾问委员会(HEPAP)的一个下属分支,在综合考虑Snowmass报告的基础上,提取出物理要求,根据政府支持、资金、各个国家的安排、政治等,最终形成所谓的P5报告(Particle Physics Project Prioritization Panel),排出项目的优先级。美国政府及其资助机构再根据P5报告来决策如何进行资源的划拨。

尽管P5的出台还有段时间,从目前Snowmass的进程看,美国粒子物理学界对自己建造希格斯工厂表示出了积极的态度。

“在SSC下马后,美国的高能物理受到了一些打击,但美国仍然是全世界高能物理贡献最大的,每年有10亿美金的投入,建立希格斯工厂是非常有基础的。自从发现希格斯粒子后,美国物理学界也充分认识到了建设希格斯工厂的必要性,也在逐渐恢复信心。” 韩涛说。

更具体的一个事例来自费米实验室——

他们已经在自己的园区内,设计并绘制了草图,包含了各种技术途径的希格斯工厂。在2013年的P5报告中,美国虽然明确表示了对日本ILC的支持,但有科学家认为,此刻他们或许正渐渐失去耐心,转而自己开建希格斯工厂。

值得注意的是,在费米实验室的草图中,除了质子对撞机和正负电子对撞机,还包括了基于其他技术原理的对撞机。

“谬子对撞机在上世纪90年代就有讨论,后来因为技术上的困难停顿了下来,最近有些技术突破,但束流质量还达不到要求。Snowmass会协调质子、正负电子、谬子这三个技术方案,年底会有一个非常详细的介绍。其他的新型加速器方案都有进展,包括等离子或者激光驱动的wake-field acceleration,可以在一米内加速到1GeV,但束流质量也达不到要求。Cool Copper Collider(C3)是最近的一个提案,会在Snowmass中认真的提出来。” 韩涛说。

这些新的技术是否会突然间出现大的突破,进而在成本等方面展现出大的竞争力,目前还无法作出判断。

目前看,在技术成熟度上,正负电子对撞机依然是最有把握的。CEPC、FCC-ee 是基于传统的技术,虽然长达100公里的规模会带来新的挑战,但并不存在根本性的障碍。

科学、技术、成本、财力、智力、政府态度、民众支持,这诸多的因素叠加交织在一起,共同影响了大型装置的建造,希格斯工厂也不例外。未来究竟是哪一方来主导建造,依然充满了变数。

这样的竞争尽管有某种残酷性,但未必是坏事。毕竟,不管谁来建,粒子物理学家都乐于接受并提供应有的帮助,正如现在参与CEPC设计建造的中国粒子物理学家,不少曾在CERN的LEP、LHC,日本的ILC等项目中工作多年。

“从科学⻆度看,我觉得这种竞争是健康的。有竞争才有提高,才有促进,才能增加成功的可能性。事实上,很多物理学家都参与多个项目,很多科学家都是为了科学而来。 ” 韩涛说。

5、万里长城

2014年2月23日,清华大学举办了一场规格颇高的研讨会——

诺贝尔物理学奖得主戴维·格罗斯(David Gross)、胡夫特(Gerard‘t Hooft),菲尔兹奖和科学突破基础物理学奖获得者威滕(Edward Witten),科学突破基础物理学奖获得者、美国粒子物理学年轻一辈的翘楚阿尔卡尼-哈米德(Nima Arkani- Hamed),科学突破基础物理学奖获得者约瑟夫·伊简德拉(Joseph Incandela),狄拉克奖和樱井奖获得者梅安尼(Luciano Maiani),日本东京大学卡弗里宇宙物理学与数学研究所所长村山齐(Hitoshi Murayama),中国科学院高能物理研究所所长王贻芳等众多粒子物理学界的名人到场。论坛由菲尔兹奖获得者丘成桐主持。

该研讨会的主题是,在希格斯发现之后,基础物理学的走向。当然,众多大咖来中国,也是冲着中国有意愿建设希格斯工厂——中国在其中可能发挥怎样的作用,是他们尤其关心的。

在报告中,格罗斯说——

“现在中国有一个很好的机会在自然科学基础研究方面起到引领作用,有一个很好的机会通过王贻芳、Nima以及他们的合作者的工作实现一个梦想。我把这个梦想叫做 ‘伟大的加速器’(The Great Accelerator)。这会和伟大的万里长城(The Great Wall)一样引人瞩目,会比万里长城的作用更大。它会在科学技术各领域有突破和发现。如果中国建造了加速器,世界上的许多科学家会来这儿帮忙和工作。这个加速器的建成和它的成果也许我们都见不到。但在座的各位年轻人可以见到并贡献自己的能量。”

“伟大的加速器,比万里长城的作用更大”,格罗斯的说法并非那么夸大。

图11 2014年2月23日,清华大学举办了一场主题讨论会,讨论在希格斯发现之后,基础物理学的走向。图为参加讨论会的部分嘉宾在前一晚聚餐的留影。从左至右为王贻芳、丘成桐、David Gross、韩涛、Gerard’t Hooft、Nima Arkani- Hamed | 韩涛供图

万里长城是中国古代文明的象征,是中国的名片,声名远播海外。而下一代的加速器,对国际人才的感召力,其凝聚的尖端技术,可能作出的重要科学发现,几乎也可成为现代文明的符号。

一个已经存在的明显例证,就是拥有LHC的CERN。

CERN毋庸置疑已经是高能物理的圣地,据说在飞往日内瓦的航班上,你的邻座很可能就是位物理学家。

“CERN就像一个巨大的蜂巢,集结着高能物理前沿的精锐。这里有各方面的一流专家,各种学术活动,忙忙碌碌的人们,大大小小、配备齐全的实验室。它里面直接的雇员有2000多人,但用户可以达到2万人。这些人都是专业的人才。它其实有一个人才的集聚和放大效果。” 曾在那里工作过的阮曼奇告诉《知识分子》。

CERN也是依托大科学进行国际合作的典范。发现希格斯粒子的CMS实验发言人约瑟夫·伊简德拉曾这样描述——

“让我很惊奇的是,来自70个国家的人在这一起工作,巴基斯坦和以色列、伊朗和伊拉克的科学家在一起工作,大科学所带来的这样的合作是不可小视的。”

旗舰式的大科学项目,也是人类勇于探索未知、不断挑战自我的精神体现。

在2012年7月4日,发现希格斯粒子的发布会后,有人问一把年纪、对建造LHC作出过重要贡献的林恩·埃文斯(Lyn Evans),“你希望这个消息带给年轻人些什么启示?”

几乎没什么犹豫,林恩·埃文斯说——

“激励。这些大的旗舰项目肯定有激励作用。我们年轻那会,有很多这样的事——比如,把人送上月球。激励年轻人投身科学是至关重要的。”

“我觉得,建希格斯工厂,是一种象征。一个国家发展到了一定的程度,他能够开始做这种,说得高一点,代表人类文明追求的事情。” 王连涛说,“像当年冷战,为什么苏联要发卫星?那个卫星没什么用,只能放音乐;其实美国登月也没什么用,为什么一定要做?这是一种象征。为什么这种象征很重要?他们当时为什么觉得必须要这样做?这代表了一个国家在这个世界上的感召力。我觉得感召力还是很重要的,让别人觉得,你是shining city on the hill,高山上的一座光明之城,给所有在黑暗当中的人一个向往的目标。”

“当然对做科学的人来说,这种项目更是一种强的感召力。全世界这个领域的人,都会被吸引。你想那些做加速器的人,一辈子最大的理想就是做最好的加速器。” 王连涛补充道。

确实,至少中国的高能物理学家,想通过希格斯粒子工厂的建设,吸引最优秀年轻人的到来,进而复制CERN的辉煌。

当初在法国工作的阮曼奇,也是受到了CEPC的吸引回国。

“2013年初,我接到高能所金山老师的电话,告诉我中国高能物理学界在积极探索建造CEPC的可能性,这让我兴奋不已。CEPC的建设,意味着中国能成为高能物理这一领域的世界领袖,将在接近半个世纪的时间长度内主导这一领域的发展。其科学产出、技术辐射、教科文活动,将产生极为积极、极为深远的影响。” 阮曼奇说。

在CEPC项目中,阮曼奇的工作包括了探测器的设计、优化,模拟软件工具的开发,物理潜力的模拟分析以及团队的建设。他的工作是发掘和提升CEPC的科学价值,明确关键性能指标,并和同事们一起开发、积累关键技术。他开发的Arbor算法可以大幅提升探测器的物理性能,在部分核心物理测量上,相对于传统技术可以节约40%的对撞机机时。

在高能所,有许多和阮曼奇一样,受到CEPC的感召而回国,或者以CEPC为牵引,从事技术研发的年轻人。在实验厅内,《知识分子》见到了他们中的一些,并参观了正在研发中的一些核心部件。

沙鹏副研究员从2015年开始CEPC 650 MHz超导腔的研制工作。

超导腔相当于CEPC的 “发动机”,可以源源不断地给正、负电子补充能量,并为束流提供纵向的聚焦力。CEPC一共需要650 MHz、1.3 GHz两种频率的超导腔336只,放置在对撞环和增强器中(CEPC对撞环的全能量注入由一台周长100 公里的正负电子增强器提供,增强器和对撞环在同一个隧道内,位于对撞环的上方)。

图12  沙鹏正在对CEPC 650 MHz超导腔进行中温退火处理 | 沙鹏供图

“真正工作的时候,超导腔的外面是4.2 K或者2.0 K的液氦,在这个温度下,超导腔才能实现超导。为什么要用超导腔,常温腔不是更方便么?主要是因为超导腔的工作电压有几百万伏(连续波运行),要是普通的常温腔(由铜制成),在如此高的电压下,功耗会达到几兆瓦,根本无法冷却。而超导腔的原材料是高纯铌,进入超导状态后的电阻差不多是铜的百万分之一,所以超导腔的功耗只有几瓦。” 沙鹏介绍道。

仔细看,超导腔的内表面像镜子一样光亮。“和普通的高压设备一样,一旦有毛刺,就会打火,电压就会掉下来,所以超导腔的内表面要处理得非常光滑,而且不能有杂质。” 沙鹏解释说。

为了达到极致的光滑、没有瑕疵,高能所研制了国内第一套真正投入使用的电化学抛光设备。在此基础上,为了进一步降低超导腔的功耗,他们又在国内率先开展了超导腔中温退火的研究,并取得了成功。

图13 周祖圣在速调管总焊洁净间工作 | 周祖圣供图

而超导腔中高达几百万伏的电压来自速调管,也是对撞机上的核心部件。

速调管有点类似于电视台的发射塔,不同之处在于发射塔发出的电磁波传向四面八方,而速调管是把电磁场集中溃入超导腔内,建立高压电场,进而驱动电子的加速。

现实中,速调管需要把日常的用电转换成电磁场,用于束流能量的提高和弥补同步辐射等因素引起的束流能量的损失,而转换效率是核心的指标之一。

“我是2015年开始介入速调管的工作,希望最终把效率从60%提到80%。第一步,60%的效率2020年初我们已经达到了,是国内第一次有人做到,之前都得靠进口买。” 负责这项研发的加速器中心研究员周祖圣说。

他粗略算了一笔账,如果将速调管的效率提升到80%,每年可以节约8400万元的电费。第一支高效率的速调管已于2021年底完成加工,在2022年春节后开始进行高功率测试,他希望该速调管的效率能有较大的提升。

超导磁体的研发也在进行当中。

“质子在对撞环里转,需要一个向心力,而这个向心力由质子的质量和能量决定。而能量与磁体的场强和环的半径有关。如果磁体场强不够高,对不起,要提高能量,只有把环的周长再扩大。” 中科院高能所研究员徐庆金说。

图14  徐庆金向参观者讲解超导磁体研发 | 徐庆金供图

徐庆金在2014年3月回国,之前在日本高能加速器研究机构(KEK)和CERN工作。他创建了高能所高场超导磁体技术团队,目前已经研制成功了国内第一个在4.2K低温下,场强超过12T的超导二极磁体。未来,他希望能做到16~24T。如此强的磁场将用到CEPC后的质子对撞机上。

像CEPC这样的大型科学装置,所要发展的尖端技术还有很多。

比如,CEPC中有的二极磁铁的工作磁场最低只有28高斯,接近地磁场的约0.5高斯和通用的铁芯纯铁材料剩磁的约4~6高斯。但目前国际上高精度二极磁铁最低工作磁场大约127高斯。28高斯的高精度交变磁场磁铁从来没有成功研制过。

再比如,CEPC的束流轨道由数万个元件构成,要保证直径仅有几十微米的粒子束沿轨道运行和加速,并在设计的位置实现对撞、出光,保证束流的寿命和品质,对所有元件的位置精度提出了严格要求。实际上,尽管CEPC对撞环的周长达到了100公里,但要求相邻元件间的横向、高程位置精度要小于 0.1毫米,“准直” 的难度极大。

而无论是速调管、超导腔和超导磁体,以及准直、高真空、低温等技术,它们的用途都不局限在加速器上。

速调管除了可以用到高能加速器、核聚变研究试验这些科学装置上外,还可以用于国防、医用加速器、工业辐照加速器、航空空中道路监测、工业用微波加热设备等。超导腔可以用在自由电子激光、同步辐射光源、质子源和中子源等大装置上。超导磁体更不用说,在先进电力系统、可控核聚变、医疗核磁、磁悬浮列车等领域都有应用。

为了开展CEPC工程及产业化的准备工作,2017年11月,由高新技术企业组成的CEPC产业促进会(CIPC)成立,目前已经发展了70多家企业。

“大型环形对撞机CEPC-SPPC(注:SPPC为超级质子对撞机,是中国希格斯工厂之后规划的科学项目)的建设,将带动国内包括高场超导磁体、超导腔、高效功率源、大型低温系统、大尺度高速准直、超高真空、高精度磁铁、大规模电子学等十余个领域尖端技术的突破性发展及工业化水平的进步。这些技术在其他大科学装置及民用领域也有广泛需求,并有望培养一大批在各自领域占据国际领先位置的中国高科技企业,为国民经济的长期稳定发展及国家安全做出重大贡献。 ” 徐庆金说。

在和《知识分子》交谈的中间,徐庆金还接了几通企业打过来的电话,商量合作的细节。他们选择和企业合作研发,还有另外一重特殊的使命——努力实现核心部件的国产化。

大科学装置国产化,在核心技术 “卡脖子” 的今天,具有特殊的意义;另一方面,在促进国内产业进步的同时,也能大大地降低项目成本(参考知识分子文章《逆境中奋起,大国重器的国产化如何铸就?》)。

“这和建大桥、搞基建还不一样,加速器上其实都是非常尖端的技术,是纳米级别。建这种项目,我们自身也有国产率的要求,要95%以上。那么,这几百亿,其实95%都相当于直接给了我们国内这种高精尖产业。” 徐庆金说。

他提起大科学项目提升产业的一个案例——

过去十年,中国参与了位于法国的国际热核聚变实验堆(ITER)项目,并投资十亿美元,负责为ITER生产超导线材、电缆及超导线圈等组件。这期间,中国从无到有,培养并打造了一批国内的超导技术研究力量及企业,如西部超导公司,通过参与ITER项目,已经掌握了具备国际一流水平的超导线材生产技术;在ITER项目建设接近尾声后,成功转型为MRI磁体超导线材供应商;西部超导在此过程中还成为了国家急需的钛合金材料的主要制造者。

“现在,我们不论低温超导、还是高温超导都开始往国外供货,英国、美国都买我们的超导材料,所以有些批评者不太了解过去十几年我们的进步,说你没有能力做好。现在也是我们产业转化升级的一个关键时刻,其实这样一个大项目,一个大单子,可以推动国内高精尖科技企业的发展,到世界领先的地步。我感觉,单纯靠市场的竞争,我们的企业机会不大。” 徐庆金说。

当然,所有的事情都要得到财力的支持,都要有人去做。

在过去的至少7年间,除了2016年、2018年科技部3600万、3100万的预研经费外,CEPC并没有其他的专门经费。在2018年完成了两卷“概念设计报告”后,按照计划,预研团队在2022年将完成技术设计报告,之后进入开工建设阶段。

最大的不确定依然是——

国家层面的批准何时到来?为了CEPC而回国的年青人,他们的热情还能持续多久?

徐庆金直言,“如果不是高能所推动CEPC, SPPC,我应该是至少不会这么快就回来。在日本KEK,在CERN,从待遇、从科研条件上,不是我们国内能比的。”

“我回来主要原因就是,在事业上,你有一个国际最领先的事情去做。在国外科研做得比较好的,都在国际最顶尖的实验室,你想让这些年轻人回来,如果国内的平台非常低,回来也没有什么正经事干,你想他会回来吗?没有一个旗舰项目引领的话,很难吸引人才回来。” 徐庆金说。

“做一个最差的打算,如果中国做不成希格斯工厂,很可能我们这些人会加入到国际合作中去,因为希格斯工厂肯定是要建的。经过了现在这样的历练,我们这些人是有能力让CEPC长成一棵树的。如果这棵树没有发芽,这些人集合起来可以,比方说帮别人把客厅建了,把厨房建了,能做到这样的水平。但对我来说,我还是想建一个自己家的房子。” 阮曼奇说。

低垂的果实已经摘完了,想要有所斩获,手得伸向更高处。经过了上个世纪的发展,粒子物理目前的现状,和20世纪初有些许类似。

1900年4月27日,英国著名物理学家威廉 · 汤姆生在英国皇家学会发表了题为“在热和光动力理论上空的十九世纪的乌云”的演讲。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理大厦已经落成,所剩只是一些修修补补的工作,他唯一担心的还有两朵乌云。

他没看到的是,日后这两朵乌云的解决,导致了相对论和量子力学的诞生,塑造了今天我们所生活的现代文明——头顶的卫星,手中的手机,无一不是现代科技的产物。

此刻,我们或许感叹,粒子物理标准模型的大厦已经建立,其恢弘壮丽,令人敬畏。我们也可以说,在这座矗立云端的大厦之上,也飘着几朵乌云,预示着突破的前夜。

从某种程度上说,这一代的中国年轻人是幸运的。

1984年10月,当中国第一台加速器,北京正负电子对撞机(BEPC)破土动工时,他们或者还没有出生,或者刚出生不久,那时的2.4亿元投资额,占到了中国当年GDP2.6千亿的约千分之一;而如今CEPC 360亿的投资额占到了2020年GDP114.3万亿的万分之三。当1988年BEPC建成时,邓小平说出了那句“中国必须在高科技领域占有一席之地”的名言,而纵观当今世上,有能力建造希格斯工厂的,只有少数几个国家和地区,中国已经是其中之一。

问题是,接下来的一步,中国会迈出么?

赞(0) 打赏
分享到: 更多 (0)

觉得文章有用就打赏一下文章作者

非常感谢你的打赏,我们将继续给力更多优质内容,让我们一起创建更加美好的网络世界!

支付宝扫一扫打赏

微信扫一扫打赏