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高能对撞机：粒子物理研究的利器

标准模型成为了能够描述基本微观粒子以及他们之间电磁力、强核力、弱核力这些相互作用的基本假设。然而，不管理论有多美，一个未经完整证实的标准模型依然只是一个空中楼阁。只有被实验验证过的理论才是真理。此时，标准模型的蓝图虽然在手，要想按图索骥，证明它，粒子物理学家们还需要工具。工欲善其事，必先利其器。想要寻找这些粒子，粒子物理学家最趁手的工具就是高能对撞机。

对撞机是一类研究粒子物理学的科学家们使用的科研仪器，是可以将人类认知深入到小于原子尺度的微观世界的超级显微镜。对撞机会将电子、质子、或者重离子等微观粒子进行加速，使他们以接近光速的速度在管道内运行，随后两束粒子在探测器内以极高的能量进行聚焦和对撞。相向而来的两个粒子在对撞的瞬间经历了极其复杂的物理过程，产生大量的携带了高能量的新粒子。随后这些新粒子会向四周的空间喷射，并被围绕在对撞点的探测器所接收到。物理学家则可以通过研究被探测器探测到的对撞产物，来反推分析出对撞时的物理过程。由于粒子物理学所研究的对象如此之小，所需要的能量如此之高，科学家们只能通过建造大型的加速仪器来获得研究所需的高能量。

在二十世纪的六七十年代，科学家们在法国、美国、苏联、德国等国家的一些实力雄厚的大学或研究所先后建造了十几个对撞机。这些对撞机大小相差巨大，从周长几米到周长两千米，分别覆盖了许多不同的能量区间，可以分别研究不同的特定课题。在那个年代，由于科学家们开始掌握了对撞机这一研究利器，粒子物理学呈现出了一轮爆发式的发展。前文提到的粲夸克，以及底夸克和顶夸克，W±和Z0玻色子等都是通过对撞机实验发现的。随着研究的深入和进展，能量较低的区间的课题已不能满足理论发展的需求，科学家们开始需要越来越高能量的对撞机来开展科学研究。中型和小型的对撞机逐渐离开科学家们关心的焦点，只有个别在特定能量区间上运行的对撞机因一些特殊需求被保留至今。而建造越大的对撞机自然花费通常会越高，大型对撞机的建设再也不是一所实力雄厚的大学或研究所就能够独立完成的了。在这种不断发展的过程中，在不同机构工作的粒子物理学家们逐渐开始联合，展开了全球范围内的合作。

在20 世纪70 年代末，欧洲核子研究中心的物理学家们就开始考虑长期的物理学发展的战略了。建造一个周长27 千米的“大型电子对撞机”(LEP)的计划开始浮出了水面。经过几年的设计和论证，在1981 年的5 月22 日，欧洲核子研究中心最终批准了这个宏大项目。经过从1983 年到1988 年的施工与安装，大型正负电子对撞机LEP 终于在1989 年正式启动，27 千米的周长也让它成为了迄今为止人类历史上最大的科学研究仪器。

然而，1989 年在欧洲启动的LEP，并不是当年能量最高的对撞机，因为在1986 年起，对撞机能量最高的桂冠一直都高挂在美国的一台对撞机头上。1986 年底，在美国费米国家实验室，一个周长6.3 千米的正反质子对撞机“万亿电子伏特加速器”(Tevatron)正式开始以史无前例的对撞能量运行了起来，Tevatron 所创造的1.96 TeV 能量记录维持了二十多年，一直到2010 年后才被欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)打破。

为什么当时更大、更新的对撞机LEP会能量低于Tevatron 呢？这是因为，虽然同样被叫做对撞机，LEP 和Tevatron 却分属于两类不同的科学研究仪器，他们分别是正负电子对撞机和强子对撞机。正如他们的名字所描述的那样，正负电子对撞机中进行对撞的粒子是正负电子，而强子对撞机中进行对撞的粒子可以是质子，也可以是重离子。电子是一种不可再分的基本粒子。这种粒子带有电荷，而体积则被认为是趋近于零。电子在对撞中能够参与的物理过程非常的简单，对撞产物非常干净，非常适合用它进行精确测量的实验，因而电子对撞机通常也被称作为“粒子工厂”，因为它能够像工厂一样稳定的生产产品。然而电子有一个令实验物理学家非常无奈的特性，就是电子在转弯的时候会辐射出大量的能量，从而使得电子本身自带的能量降低。并且，电子转弯越剧烈，辐射出的能量就会越大。所以，电子对撞机通常会做成大半径的环，或者直接只在一段直线内加速电子。位于美国的“斯坦福直线加速器对撞机”(SLAC)就是一个将电子在直线内加速然后完成对撞的实验仪器。直线加速器的缺点是，电子束不能被重复利用，对撞一次后就会浪费掉所有的被加速的电子，而环型对撞机可以使得被加速的粒子一次又一次地重复被利用，从而节约粒子和能量。正负电子对撞机因其半径大、能量较低，并不需要强磁场将粒子束缚，所以制造工艺相对简单。

强子对撞机中进行对撞的粒子最通常的是质子，也就是氢的原子核。质子在粒子物理学中不是基本粒子。质子中包含三个夸克和一些将夸克连接起来的胶子。夸克和胶子在对撞中会参与复杂物理过程，对撞产物也会非常复杂和多样，无法像正负电子对撞机粒子工厂那样有稳定的产出。但是，由于质子的质量远大于电子，在转弯时只会辐射出较少的能量，所以质子能够在加速器中获得比电子高得多的能量。强子对撞机适合“开疆拓土”，用极高的能量去探索能量前沿的问题。利用强子对撞机研究物理问题，就是一个“大力出奇迹”的过程。而极高的能量则意味着强子对撞机必须使用高强度的磁场，因而需要大量超导材料，制作工艺远比正负电子对撞机复杂。强子对撞机不擅长做非常精确的测量，但是适合用来探索新的物理现象。

前文中的LEP 和Tevatron 都在标准模型的验证过程中发挥了巨大的作用，它们的物理目标之一都包含了对希格斯粒子的寻找。特别是在进入新世纪前后，标准模型中的基本粒子包括夸克，轻子和传播子全部已经发现了，就只剩下希格斯粒子还未曾被发现。然而，在分别经过了多年的运行之后，虽然LEP 和Tevatron 在别的领域都取得了令人瞩目成果，他们却分别都在希格斯粒子的寻找道路上折戟沉沙。尽管已有越来越多的人相信了标准模型，但是希格斯粒子的缺席使得标准模型仍然还是空中楼阁。

20 世纪80 年代，与LHC几乎同时开始预研的美国超导超级对撞机(SSC)其实比LHC 大得多。1982 年，美国科学家提出了建造SSC 的设想，其环形隧道长87 千米，质子碰撞的能量为40 TeV，是LHC设计能量的3 倍。1983 年，美国能源部批准了SSC 的预研，1987 年1 月SSC 工程正式启动。1988年11 月确定选址德克萨斯州，1991 年开始施工建造，此时经历了一番重新设计的SSC工程估价从44亿升至82.5 亿美元，预计1999 年投入运行。但仅在两年后，美国国家审计总署审计后认为SSC项目费用超支、进展滞后。于是，命途多舛的SSC 在开工建设之前经历了临阵换帅后推倒原设计方案、新方案大幅增加预算、学界的不同意见、政党轮换中支持对撞机的共和党总统下台、冷战和美苏争霸结束等多种内部外部压力的联合作用下，终于在1993 年的10月21日被美国国会正式宣告终止建设。

按照SSC 的设计，它的能力应该如此之强大，以至于在三十多年以后的今天，世界上仍然没有可以与之匹敌的对撞机。假如它没有经历那些波折，几乎必然是希格斯粒子的最佳猎手。然而，历史容不得假设。正因为SSC的停建，使得美国失去了长期以来在高能物理领域的霸主地位。

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大型强子对撞机：希格斯玻色子的发现

在20 世纪80 年代，谁能想到，在对待科学的态度上，四分五裂的欧洲竟然比统一的美国更加团结。早在1984 年，也就是欧洲核子中心的LEP正式开始运行的五年之前，在LEP 尚在建设中的时候，欧洲的科学家们就在考虑LEP 退役之后未来的事情了。在1984 年的一次讨论会上，科学家提出了第一个利用LEP退役后的隧道内建造新的“大型强子对撞机”LHC的提议。然而这个提议在很长的一段时间内都没有形成完整的提案并得到批准，原因一是此时LEP 还在建设阶段，距离它退役还为时尚早；二是在1987 年，SSC 获得了美国国会的批准。SSC的存在使得欧洲的计划失去了竞争优势，也让LHC是否有必要再被建造画上了一个问号。然而在1993 年SSC被宣告中止之后，失去了美国SSC的竞争，欧洲的LHC成为当年世界上唯一一个能够有望解决包括寻找希格斯粒子等重大粒子物理学问题的对撞机方案。于是，在1994 年，LHC的建设计划正式被欧洲核子研究中心批准。2000 年，LEP正式结束了它十多年的数据获取运行过程，并于2001年开始被完全拆除。而LEP 所留下的长达27 千米隧道则被重新利用，用于安置LHC。

LHC 除了本身占据的一条27 千米长的隧道，还有几个逐级加速的加速器环，复杂庞大的结构使得它刷新了人类历史上所建造的最大规模的科学研究仪器的记录，成为了一个极具科幻色彩的庞然巨物，其加速器环占据的空间的地表范围参见图5。LHC不但大，而且设计对撞能量也达到了惊人的14万亿电子伏特，相当于每一个质子都在七万亿伏的电压下被加速，远超了它的前辈LEP和美国的竞争者Tevatron。质子在加速器内获得的能量能达到自身质量的近万倍，在27 千米加速器环内以每秒1.1万次的频率飞行，速度达到光速的99.99%，每秒钟能发生高达10 亿次的撞击事例。质子－质子剧烈的碰撞可以模拟宇宙大爆炸的高温高能状态，碰撞产生的瞬时温度可与宇宙大爆炸后不久(约10~12s)的状态相比。粒子物理学家利用质子碰撞后的产物可以探测新粒子和新物理现象，例如，寻找标准模型预言的希格斯粒子，探索超对称、额外维、暗物质等超出标准模型的新物理。

图5 欧洲核子研究中心大型强子对撞机俯瞰图

LHC主要进行四项大型实验，包括ATLAS(超环面仪器实验)、CMS(紧凑缪子线圈实验)、ALICE(大型离子对撞实验)和LHCb(底夸克实验)，这是人类科学与工程领域集大成者，当之无愧的典范。其中ATLAS 和CMS是两台多用途的大型探测器，用于分析在加速器中质子－质子碰撞时产生的数量庞大的粒子。两项实验的研究规模均达到前所未有的程度，其建设过程中的状态参见图6。ATLAS探测器长46 米，宽25 米，高25 米，总重量约为7000吨，有近1 亿路电子学读出通道，是迄今为止世界上规模最大的粒子探测器。CMS探测器长21 米，宽15 米，高15 米，重量约12500 吨。ATLAS和CMS探测器相当于一个巨型的数码照相机和显微镜，每秒中能拍摄4 千万次，把质子间数亿个碰撞事例产生的粒子信息记录下来进行分析。ATLAS和CMS两个大型国际合作实验组各自拥有约5000 位研究人员和工程技术人员，来自60 多个国家和地区的300多个研究机构。

图6 安装中的ATLAS(上图)和CMS(下图)探测器

然而LHC却是一台难以被驯服的机器，它的启动阶段充满了波折。2008 年，LHC在启动试运行阶段，超导高电流通过一段焊接不良的连接线时产生的电弧打穿了冷却设备的液态氦储存槽，冷却超导磁铁用的液态氦发生了严重的泄漏，高达6 吨液态氦泄漏到隧道中，泄漏量达到液氦总量的约1/3。这使得LHC 不得不花一年时间进行维修和复查。然而不论外界对LHC的预期或喜或悲，在经历了一段艰难的启动阶段之后，LHC 还是于2010 年正式开始运行和获取对撞物理数据，而它也轻易地摘得了人类在地球上创造的最高能量的记录。并且在两年之后的2012年，它成功发现了希格斯玻色子。

2012 年7 月4 日，注定是个不平常的日子，欧洲核子研究中心CERN举行了全球新闻发布会，宣布LHC的ATLAS和CMS两个大型实验组同时发现了质量约为125 GeV的新粒子，信号强度达到并超过粒子物理学家判定新发现的置信度5 个标准偏差，即发生错误判断的可能性小于300万分之一。新粒子的特性类似于粒子物理学界一直努力寻找的，被称为“上帝粒子”的“希格斯玻色子”，参见图7。这正是半个世纪以来，全球成千上万科学家共同艰辛努力的结果。世界上千家媒体和电台都报道了这项划时代的伟大发现，譬如：纽约时报报道“科学家发现了对宇宙至关重要的神秘粒子”；BBC新闻报道了“大型强子对撞机上发现疑似希格斯粒子”；英国卫报标题为“希格斯粒子的发现是人类的又一次巨大飞跃，这项伟大成就堪比人类登月，是值得所有人自豪的”。CERN 的总所长罗夫·赫尔声称：“人类在理解自然世界上跨越到了一个崭新阶段。”

图7 大型强子对撞机实验上发现希格斯粒子

此时，标准模型大厦终于不再是空中楼阁，它所预测的所有基本粒子都已发现。此刻距希格斯机制的提出，已经过了48 年。希格斯玻色子的发现填补了标准模型最后也是最重要的基石，从某种意义上完备了标准模型，成为粒子物理研究的一个重大里程碑。

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未来的道路：希格斯工厂

2012 年希格斯粒子的发现被视为自原子结构揭示以来人类对宇宙认识的重大突破，这一突破开启了粒子物理的新时代。一方面，标准模型的框架虽已建成，但细节仍是不清晰的，还有大量的不确定的条件，所以一切基于希格斯机制与标准模型的理论都可以大胆的前进一步、提出更精细的实验要求了。另一方面，物理学家也十分清楚目前的标准模型是不完善的，已有很多实验观测结果与标准模型的预测相冲突，比如在标准模型框架里中微子是没有质量的，但是诸多中微子振荡的实验结果表明，中微子是有质量的。标准模型也无法描述暗物质等，所以，超出标准模型的新物理的理论仍然有大量的可能性。而希格斯粒子不仅仅和基本粒子质量的起源有关系，其他的重大前沿科学问题比如早期宇宙演化的过程、暗物质与暗能量等也与希格斯粒子息息相关，参见图8。因此，对希格斯粒子的精确研究是粒子物理学界一个非常明确的未来需要完成的重要物理目标。

图8 希格斯物理与其他科学问题的关联

国际高能物理学界经过多年的深入研讨，逐渐形成共识，即希望采用正负电子对撞机来产生大量希格斯粒子(即“希格斯工厂”)。主要因为在大型强子对撞机LHC实验中，质子对撞过程中产生非常多的强子本底，希格斯粒子的产生伴随着大量无用的本底，所获得的信号有非常大的噪音，难以精确测量希格斯粒子的特性。如果采用正负电子对撞，产生的本底非常低，有利于在“干净”的对撞环境下对希格斯粒子的性质进行更精确的测量。此外，正负电子对撞有固定的质心系能量，可以通过ZH产生过程中Z 玻色子的反冲独立精确测量希格斯的产生截面和衰变分支比，这是LHC强子对撞实验无法做到的优势。目前国际上有三个基于正负电子对撞的“希格斯工厂”方案，日本的国际直线对撞机(ILC)，中国的高能环形正负电子对撞机(CEPC)，以及欧洲的未来环形对撞机(FCC)。

7.1 日本的ILC

ILC 是个长达30 千米的直线加速器，它进行正负电子对撞，质心系能量可达500 GeV 或更高，既可以作为“希格斯工厂”，也可以运行在更高的能量研究希格斯自耦合等。ILC的建造涉及大量先进的加速器技术、探测器技术等。尽管ILC 造价昂贵且建设过程存在风险，但考虑到ILC 极为重大的科学意义，承建国很有希望因此而成为粒子物理领域新的霸主。欧洲CERN，美国费米实验室Fermilab 和日本高能加速器研究机构KEK均对建造ILC 表现出极大兴趣。经过多年的预研和竞争，国际高能物理学界最终形成共识，支持日本承建ILC 项目。2020 年成立了国际准备小组(IDT)，而且在美国强烈要求下将中国排除在外。2021 年日本成立了ILC项目开发中心，各项工作正在稳步推进，预计未来3~4年成立预实验室(Pre-Lab)，参见图9。

图9 国际直线对撞机ILC示意图

7.2 中国的CEPC

希格斯粒子的发现也极大振奋了中国高能物理学界。仔细分析国际上高能量粒子物理领域的发展形势，美国因政府削减经费失去高能物理领域的领先地位，欧洲借此机会一举超越美国成为新的引领者，但2030 年之前欧洲主要精力仍在LHC 的运行及其升级，日本则忙于ILC 项目的承建。中国有了一个难逢的机遇，可以充分利用中国的优势，利用成熟的环形加速器技术，在中国本土建设下一代基于环形正负电子对撞机的希格斯工厂，从而使中国的高能加速器和粒子探测器技术实现大幅度的跨越发展，引领国际高能物理实验研究的最前沿。

2012 年9 月13~14 日，仅仅在希格斯粒子发现后的两个月，中国高能物理学会在北京召开了“第二届中国高能加速器物理战略发展研讨会”，来自全国各地的40 多位专家学者参与了研讨，并在研讨会上首次提出了在中国建造下一代环形正负电子对撞机CEPC 的宏伟设想，即先建造一个周长约50~100 千米、能量为240 GeV的环形正负电子对撞机作为希格斯工厂；未来条件成熟后可在同一隧道内将其改造为能量50~100 TeV的超级质子对撞机，能量将比正在运行的LHC高约6 倍，以实现未来加速器的终极目标。CEPC瞄准的是希格斯粒子发现后对撞机实验的核心前沿物理问题，其科学目标是精确测量希格斯粒子的性质以及探索标准模型背后更基础的物理规律。随后，国内高能物理学界组织了研究团队进行CEPC前期的预研究。

2014 年2 月，“希格斯粒子发现之后，基础物理学向何处发展”论坛在北京举行，论坛嘉宾包括两位诺贝尔物理学奖得主，两位菲尔茨奖得主，四位基础物理学奖得主等国际著名物理学家。嘉宾们坚信下一代粒子加速器将会为人类认识世界带来重要的突破，并认为CEPC将为中国开启成为粒子与加速器物理领域世界领导者的机遇。诺贝尔物理学奖得主David Gross 认为，中国提出建设的下一代加速器CEPC，将使中国在基础科学领域处于中心位置。他说：“我把这个梦想叫做中国大加速器(The Great Accelerator)，这会和万里长城(The GreatWall)一样令人瞩目。它会比万里长城的作用更大，会在科学技术各领域有突破和发现。”

经过6 年的努力，2018 年11 月，CEPC研究团队正式发布了加速器、物理和探测器两卷概念设计报告，由来自24 个国家，222 个研究机构的1143 位研究人员共同签署发表长达930 多页的设计报告。CEPC概念设计图参见图10。粒子物理学的前途是很明确的，未来几十年细致研究希格斯粒子的性质已是世界高能物理学界的共识，而中国设计的对撞机几乎已是成本与效率的最优选择。

图10 高能环形正负电子对撞机CEPC示意图

7.3 欧洲的FCC

在中国发布自己的希格斯粒子工厂对撞机之后，欧洲核子研究中心在2019 年也发布了他们设计的希格斯粒子工厂“未来环形对撞机”(FCC)，其预期建设选址参见图11。然而，不出科学家的意料，欧洲的FCC 设计在正负电子对撞机阶段的一些关键指标上与中国的CEPC设计“几乎一模一样”，因为这就是研究希格斯物理的最优解。

图11 未来环形对撞机FCC示意图

2020 年6 月，欧洲粒子物理战略规划明确将正负电子对撞机希格斯工厂列为优先级最高的下一代高能物理加速器设施并且布局、投资了大规模的技术研发。可见，全球的粒子物理学家目前努力的方向是一致的。然而，欧洲核子研究中心CERN仍然在运行着大型强子对撞机LHC，并且在未来15~20 年左右，欧洲还计划对LHC进行多次升级改造，这些计划会制约FCC的建设计划，而中国则有望比欧洲早十年建成希格斯粒子工厂，从而在激烈的国际竞争中赢得先机。

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结语

二十一世纪的中国正在为实现“两个一百年”奋斗目标、实现中华民族伟大复兴的中国梦而奋斗。中国科学家必须要为实现中国梦提供强有力的科技支撑，使中国成为科技创新大国，为提高社会生产力和综合国力提供的战略支撑。中国科技的发展将面向世界科技前沿和国家战略需求，找准科技突破的新方向，做出基础性、战略性和原创性的重大贡献。

希格斯粒子发现后，建造CEPC 希格斯工厂承载了中国高能物理学家的期盼和梦想，这也是实现中华民族伟大复兴“中国梦”的重要组成部分。建设一个以CEPC为核心的国际科学城，使得中国在基础物理研究、加速器和探测器等关键技术实现跨越式发展，从跟跑者向并跑者转变，乃至最终成为世界的引领者。这是国家发展的一个难得的历史机遇，其重要的科学意义、在国际上将产生的重大影响，以及对中国未来发展的推动作用是其他大型科技基础设施建设项目不可替代的。由于激烈的国际竞争，这个历史机遇的时间窗口不到十年。这是历史赋予这一代人的重任。衷心期待这个梦想能够成为现实，让“中国的大加速器”和万里长城一样引人瞩目，在新中国建国100 周年之际真正起到引领未来的作用。（完）

本文经授权转载自微信公众号：现代物理知识杂志 作者：陈缮真 杨海军

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不代表中科院高能所立场

编辑：杨阳