大型對撞機的中國選擇

阮曼奇

1972年，我國政府和科學界面臨著一個重大選擇：是否建設大型對撞機。對撞機是現代物理研究的基礎設備，是研究物質基礎結構和相互作用的探針。二戰之后，近一半的諾貝爾物理學獎頒發給了與對撞機相關的研究成果。但大型對撞機需要各種高新技術的支持，耗資巨大，建設和操作難度極高。經審慎討論，在中央政府和小平同志的全力支持下，北京正負電子對撞機（以下簡稱BEPC）在1984年開建，并于1988年10月實現首次對撞，迄今已有32年。此后，BEPC取得了一系列國際領先的優秀成果，獲得了包括國家科技進步特等獎在內的一系列大獎。

BEPC的建設過程分為2個階段：1984-2003年的BEPC-I，以及其后運行至今的BEPC-Ⅱ。BEPC-I解決了我國缺少高能對撞機的問題，是其能區內性能最好的對撞機。它給出了包括R值測量、Tau輕子質量測量、新強子態探測在內的一系列重要成果，確立了當時有巨大疑問的輕子普適性，在國際高能物理學界產生了巨大影響，是粒子物理標準模型的關鍵驗證之一。亮度升級后，BEPC-Ⅱ在國際競爭中再次成為其能區內性能最好的對撞機，其代表性成果包括了四夸克態的發現、XYZ粒子族譜研究等。秉承一機兩用的理念，BEPC在進行高能物理前沿探索的同時，也奠定了我國同步輻射光源的基礎，為凝聚態物理、材料、生物、環境、地質等方面的研究提供了條件和保障。2003年，非典型肺炎（SARS）疫情爆發時，BEPC光源首次測定了該病毒的蛋白質結構，為疫情的控制、應對藥物的研發提供了關鍵信息。

由于當時經濟和技術條件的限制，BEPC并非那個年代最先進的對撞機，其能量只有當時國際最高能量的1/20，周長只有1/100。但作為我國高能物理實驗研究的起點，BEPC不僅取得了大量國際領先的物理成果，而且也奠定了我國在相關技術和同步輻射光源方面的基礎。BEPC首次將互聯網、萬維網和網格計算引進國內，也在技術創新、成果轉化方面取得了一系列驕人成績，同時為我國高能物理學界和產業界培養了大批人才。近年來，我國科學家發現的四夸克態、五夸克態、新的中微子振蕩模式等成果屢屢在國際上被評為各種年度十大物理學進展，獲頒“基礎物理突破獎”等各種重大國際獎項。BEPC所在的中國科學院高能物理所，也成長為與費米、SLAC、KEK、DESY等實驗室比肩的全球著名高能物理實驗室。

時光荏苒，40年后的今天，憑借希格斯（以下簡稱Higgs）粒子發現的歷史機遇，我國科學家提出建設環形正負電子對撞機（CEPC）的倡議。與BEPC不同，CEPC是國際領先的對撞機，它將以超過歐洲大型強子對撞機（LHC）10～100倍的精度對Higgs粒子性質等關鍵物理量進行測量，搜尋新物理的能標將超過LHC的10倍以上。同時，它還可以被升級為能量超過LHC一個量級的質子對撞機。CEPC瞄準的是目前粒子物理領域最前沿、最核心的關鍵課題。一旦建成，它將成為全球高能物理研究的中心，必將吸引全世界最優秀的一批科學家和工程師來華工作，同時作為龍頭項目帶動一系列國際最先進的核心技術的發展。與當年BEPC的追趕和填補空白不同，CEPC將是引領，其意義和作用將大大超過BEPC。時間，讓我們走到了一個新的十字路口。

CEPC的科學目標

CEPC的核心物理目標是實現Higgs粒子的精確測量。同時，CEPC可精確檢驗“標準模型”，測量電弱物理和味物理，以及尋找新物理。

2012年，發現Higgs粒子是標準模型的巨大成功，至此，“標準模型”預言的粒子全部被找到，但標準模型很難被認為是一個終極理論。“標準模型”中存在大量自由參數，其內部存在一系列的理論疑難，比如真空穩定性問題、自然性問題等。同時，在對撞機實驗之外，尚有大量“標準模型”無法解釋的謎團，比如暗物質、暗能量、暴脹和中微子震蕩等。為了解決“標準模型”的疑難謎團，理論物理學家深入研究了超越標準模型的基礎理論，提出了各種新物理模型。

左圖：BEPC 測得的Tau 粒子質量結果，該結果被高能物理粒子數據小組認定為50年來最重要的實驗測量之一。右圖：利用BEPC 同步輻射光源測定的SARS 病毒蛋白質的結構。

1984 年10 月，小平同志為BEPC 項目建設奠基。

BEPC 獲得了包括國家科技進步特等獎（1990年，左圖）在內的一系列榮譽。

Higgs粒子同“標準模型”中的種種疑難和謎團息息相關，其精確測量對發掘“標準模型”背后的物理原理至關重要。Higgs粒子是“標準模型”粒子譜中唯一的標量粒子，在其質量被測定的情況下，“標準模型”準確預言了Higgs粒子的所有性質。同時，在理論物理學家倡議的種種新物理模型中，Higgs粒子的性質往往和標準模型預言并不一致，甚至有顯著差異。因此，Higgs粒子的發現為人類的進一步探索提供了絕佳的探針。

為了實現Higgs粒子的精確測量，需要一個Higgs粒子工廠。歐洲核子中心CERN的大型強子對撞機（以下簡稱LHC）本身是強有力的Higgs粒子工廠。時至今日，在LHC上已產生了數以千萬計的Higgs粒子。LHC不僅發現了Higgs粒子，而且還對它的物理性質進行了測量，確認其性質同“標準模型”預言高度吻合。然而，LHC實驗上有巨大的物理本底，平均每100億次的質子對撞事例中才能產生一個Higgs粒子，這使得在LHC對Higgs粒子進行精確測量非常困難，精度受到很大限制。現有的研究表明，在LHC上，Higgs粒子性質測量的極限精度大約在10%量級。

CEPC 對撞機的基線設計：對撞機由直線加速器（Linac）、增強器（Booster）以及正負電子的儲存環組成。CEPC 對撞機采用全局部雙環設計。

CEPC 探測器的基線設計：研徑向方向、從內到外探測器由硅像素頂點探測器、時間投影室、電磁及強子量能器、主磁鐵線圈和軛鐵以及Muon子探測組成。

而CEPC是主環周長為100千米的高精度Higgs粒子工廠。它預期將在240GeV的質心能量下，通過2個對撞點產生100萬個Higgs粒子事例。由于正負電子不參與強相互作用，CEPC上的對撞環境比LHC上純凈得多，平均每1000個正負電子對撞事例中就能產生一個Higgs粒子。同時，CEPC上精確可知的對撞能量信息，也為Higgs粒子精確測量創造了有利條件。模擬分析表明，CEPC可將Higgs粒子的性質測量到0.1%～1%水平的相對精確度，超出LHC的極限精度達一個量級。

除了能夠精確測量Higgs粒子，CEPC還能產生大約1億W粒子和數千億Z粒子，在粒子物理探索的其他前沿上（電弱測量、味物理、高能量前沿等），為我們帶來海量的寶貴數據。因此，國內外的高能物理學界，均對CEPC抱有高度支持的態度。自倡議提出以來，國內外的高能物理學界積極參與CEPC技術預研，為CEPC項目的技術儲備和最終建設打下了良好的基礎。

中國建設CEPC項目的條件

建設CEPC項目，毫無疑問需要足夠的技術、人才以及經費支持。

在技術方面，我國高能物理學界擁有30多年正負電子對撞機設計、建造以及操作的實際經驗。同時，我國的研究人員多年在一線探索了各種新型加速器、探測器技術，這些經驗和積累確保了CEPC項目研究工作的順利進行。2018年，CEPC對撞機的概念設計報告完成。該報告在國際評審中得到世界一流專家的高度認可，全體評審委員一致認為該工作證實了項目的可行性，并可以進入技術設計報告階段（TDR）研究，CEPC各子系統關鍵技術也均取得顯著進展以及部分技術突破。

在人才方面，我國高能物理學界目前已擁有大約1000名研究人員以及大學教授。這支隊伍完成了一系列國際領先的重要成果，并在LHC合作中發揮著顯著作用。CEPC項目預研在國內已經鍛煉出了一支年輕的人才隊伍，這支隊伍作為主力完成了目前的預研工作。與此同時，CEPC項目的預研已經吸引了大批頂級的國際專家進行合作。可以預見，一旦CEPC項目正式立項，我國將通過自主培養和國際合作方式，吸引大批優秀人才。

在經費方面，CEPC項目的造價目前預估是360億元，以其20年的使用壽命計算，投資強度尚未超過許多基礎科學的明星領域，甚至未達到平均水平。當年建造BEPC項目時，業界也曾有類似的擔心，但是事實證明其40年的科學壽命絕對物有所值，因此在考慮此類問題時一定要有幾十年的前瞻性。

正負電子Higgs工廠的國際合作與競爭

基于正負電子對撞機的Higgs工廠可以在大型強子對撞機物理測量的基礎上，大大提升人們對Higgs粒子性質的認識，并精確測量Higgs粒子性質和其他可觀測量的粒子，探索包括質量起源、物質起源、暗物質本質在內的一系列重要課題。可以說，正負電子Higgs工廠是大型強子對撞機之后的粒子物理實驗研究中具有戰略意義的大型對撞機。誰能建設下一代的正負電子Higgs工廠，誰就能夠占據未來粒子物理研究的國際領先地位，進而帶動整個領域的發展。

這一特性得到了國際粒子物理學界的普遍共識。目前，除了CEPC，這些正負電子Higgs工廠還包括了可能被建于日本的國際直線對撞機（ILC）、歐洲核子中心倡議建設的緊致直線對撞機（CLIC），以及未來環形對撞機中的正負電子對撞機階段（FCC-ee）。國際高能物理學界圍繞這些正負電子Higgs工廠進行了大量研究，其中ILC于2013年發布了其技術設計報告，CLIC、CEPC和FCC-ee分別于2013年、2018年和2019年發布了概念設計報告。這4個正負電子Higgs工廠，包括了2個直線對撞機（ILC和CLIC）和2個環形對撞機（CEPC和FCC-ee）。其中，直線對撞機具有較易升級質心能量、束流可極化的優勢。而環形對撞機則在低能區（91-240GeV）擁有亮度上的明顯優勢，同時具有可升級為質心能量達100TeV量級的質子對撞機的巨大潛力。

2020年6月19日，歐洲核子中心理事會（CERN Council）全票通過了《2020歐洲粒子物理學戰略》。這份戰略確定了未來歐洲粒子物理研究的優先事項，對全球高能物理的發展具有重要而深遠的影響。這份戰略中最引人注目的內容之一是“基于正負電子對撞機的Higgs工廠是優先級最高的未來對撞機項目，并期望建設能量盡可能高的質子對撞機”。圍繞這一判斷和愿景，《2020歐洲粒子物理學戰略》強調了高場磁體、高溫超導體、等離子體尾場加速等關鍵技術，并討論了將來可能的國際合作框架。需要指出的是，我國在2012年確定的CEPC-SPPC項目路線圖與《2020歐洲粒子物理學戰略》的構想高度吻合，這也從側面反映了這一項目具有巨大的科學價值，以及我國高能物理學界判斷的前瞻性。毫無疑問，圍繞這一基礎物理研究的戰略高地，全球高能物理學界和世界各國將展開一系列的競爭和合作。而科學和歷史，將在這種合力下穩步向前。

CEPC 關鍵設備、高場磁鐵制造及測試。左圖：超導線材;中圖：超導磁體核心;右圖：測試中的超導磁體。

40年前，在我國經濟千瘡百孔、國內人才和資源稀缺的情況下，我國科學界在中央政府的支持下，抓住了這一歷史性的機遇，完成了BEPC項目的論證、設計、預研以及建設。這使得我國的高能物理實驗研究從零起步，并實現了跨越式發展，將關鍵的科學和技術領域提前部署了幾十年，為后來的一些重大科學設施建設和重大科學成果產出贏得了時間，奠定了基礎。

如今，Higgs粒子的發現是一個全新的歷史性機遇，國際高能物理學界正在醞釀新的重大設施，倡導建造FCC、CLIC、ILC在內的一系列未來大型對撞機，CEPC在其中具有顯著的競爭優勢。一旦建成，它將成為世界高能物理實驗研究的旗艦，我國將在這一重要競爭中占據領袖地位，其帶動的技術發展將大大促進我國的技術積累和產業升級。抓住這一機遇，是我國科學界的歷史使命。