對撞機，究竟是個什么機

文 陳繕真（中國科學院高能所特聘青年研究員）

19世紀末，從倫琴發現X射線，約瑟夫·約翰·湯姆孫發現電子，盧瑟福發現α射線和β射線等實驗起，物理學家們開始專注于微觀世界的物理現象。特別是20世紀20年代量子力學建立之后，物理學家們逐漸意識到，在微觀尺度上，存在著一個跟宏觀世界很不一樣的世界，它的尺度如此之小，所以科學家們不得不借助一些特殊的實驗儀器來觀測其中的現象。

因何而生

早期對于微觀世界的研究，通常是對天然的放射性物質或宇宙線進行觀測。那時的科學家，會將微觀尺度的現象放大至宏觀可見的尺度，然后再進行觀測——科學家們會使用能在一些射線中曝光的照片底片，或者使入射粒子在過飽和蒸氣中形成一連串的電離原子作為凝結核，進而在粒子軌跡上形成一連串霧氣的“云室”等來觀測微觀粒子造成的現象，并通過分析這些微觀粒子所留下徑跡的結構和形狀來推測粒子的性質。

在20世紀30年代前后，一個更加強大的粒子物理研究工具出現了——勞倫斯發明了回旋粒子加速器。它的基本結構是兩個半圓D形盒，以及D形盒之間的交流電場，兩個半圓D形盒上施加有可以使帶電粒子偏轉的磁場。在加速器的中心處放置有一個粒子源，其發射出的帶電粒子受到電場的作用可以被加速，在進入半圓D形盒的磁場中時，則被磁場所偏轉反向，并再次進入D形盒之間的交流電場。若時間調整合適，此時交流電場的方向正好可以翻轉，帶電粒子則再一次被加速。如此往復很多次，帶電粒子就會被加速至帶有較高的能量，其能量與方向均可被控制，可以極大地提高對微觀粒子的研究能力。

回旋粒子加速器使得人類能夠可控地獲得帶有較高能量的微觀帶電粒子，進而更準確地研究這些粒子的性質。然而由于相對論效應，高能量粒子的回旋周期會隨能量的增高而發生改變。于是科學家們將回旋粒子加速器的均勻磁場，以及電場變化頻率也做了調整，使之能夠最大限度地讓帶電粒子獲得能量。這種電場及磁場可控的粒子加速器叫作同步加速器。同時改變電場和磁場，也使得帶電粒子在加速的時候不必須經歷一個連續變化的半徑，因此，同步加速器可以被做成環形。

由于量子效應的存在，想要研究更精細的粒子結構，就必須獲得更高的能量。加速器可以讓粒子物理學家們獲得前所未有的可控高能量，于是粒子物理學的主要研究方式就變成了利用高能粒子加速器進行研究。因此，粒子物理學現在也被稱為“高能物理學”。

早期的加速器主要用來加速帶電粒子并轟擊原子靶，進而對轟擊產物進行統計分析。隨著粒子物理實驗的進展，粒子物理的理論也得到了蓬勃的發展。一些能量更高的粒子被預言，而想要產生這些粒子，需要建設更高能量的實驗設備。并且，利用被加速的粒子束來轟擊固定靶的實驗形式會將絕大多數的能量浪費在轟擊產物的動能上，于是，實驗物理學家們開發了一種能夠大大節約能量的辦法，那就是加速兩束運動方向相反的粒子，以極為精細的操作控制粒子的位置，讓它們在極小的空間內對撞。利用這種辦法，可以使粒子的動能最大化地被利用，而這就是目前粒子物理學研究最重要的研究設備——對撞機。

有什么用

作為粒子物理學最重要研究設施的對撞機，能夠直接決定粒子物理學大多數研究方向的發展水平。而粒子物理學的研究，則會直接面對物質最基本的組成成分，以及物質間的最基本的相互作用這樣的研究對象，進而探索質量起源、宇宙演化、暗物質等最深刻、最神秘的課題。對物質的最基本的成分和相互作用的探索不僅僅可以滿足人類的好奇心，也會為未來幾十甚至上百年后的應用儲備知識。

在一個科學技術健康發展的社會，基礎科學的研究水平應該是超越當前的時代的。也只有如此，能夠影響人類生活的技術才能在有科學理論指導的情況下發展。如果基礎科學研究停滯，那么在一段時間之后，技術的發展也會因為缺乏科學依據而難以進步。也正是因為這樣的邏輯，《三體》小說和電視劇才會有“三體人”利用干擾對撞機實驗來“鎖死”人類科技的情節。

然而，對撞機不僅僅能夠對粒子物理學研究起到至關重要的作用。作為世界上最宏大與最先進的一類基礎研究設施，對撞機也經常是最新、最大膽技術的試驗田。就比如，人類第一次大規模使用超導磁鐵就是在建設于美國芝加哥郊外的費米實驗室的萬億電子伏特加速器對撞機上。

再比如，萬維網的誕生，也與對撞機有密切的聯系。

雖然因特網在20世紀六七十年代就已誕生，但早期沒有網站，因此，因特網的使用是一個高度技術性和專業性的工作。20世紀80年代末，在位于歐洲核子研究中心的大型正負電子對撞機正式開機運行的前夕，歐洲核子研究中心的數據科學家蒂姆·伯納斯·李為了讓粒子物理學家們更高效地共享信息，設計了超文本傳輸協議（HTTP）。不久，歐洲核子研究中心的科學家們按照這個協議搭建了人類歷史上第一臺萬維網（WWW）服務器。從此，用戶登錄服務器上的網站，瀏覽網頁獲取信息成為可能。萬維網的出現徹底改變了人類信息交流的方式，使得“上網”這件事從高度技術性的專業工作變成了人人可以完成的輕松小事。

可見，對撞機這種由成千上萬不同組件構成的、匯集了數千科學家與工程師的智慧才能建造而成的設施，其發展也能夠帶動許多不同應用領域的發展。

未來什么樣

正如國內的很多現代學科一樣，中國的粒子物理實驗發展的歷史比較短，道路也很曲折，但中國的高能物理學科發展得很快。

早在20世紀50年代，中國的物理學家就曾在蘇聯科學家的幫助下設想過在中國建設自己的粒子加速器。然而直到改革開放初期，中國的粒子加速器的最終建設方案才得以成形。1981年12月22日，鄧小平親自聽取了中國科學院關于建造22億電子伏特正負電子對撞機建議報告會，并在會上批示：“這項工程進行到這個程度不宜中斷，他們所提方案比較切實可行，我贊成加以批準，不再猶豫。”1984年10月7日，北京正負電子對撞機正式破土動工。1988年的10月18日，北京正負電子對撞機成功實現了首次對撞。至此，北京正負電子對撞機開始了它30多年的科研生涯，在北京正負電子對撞機上運行的北京譜儀實驗也成為第一個由我國主導的國際合作科學實驗。

如今，在經過了幾次重大升級改造之后，北京正負電子對撞機仍在運行中，并且已經是τ-粲能區物理領域全球最重要的研究設備。它也使得中國能在世界粒子物理研究的舞臺上占據一席之地，也啟發了不少科幻作品——電視劇《三體》中關于對撞機的部分，就是在北京正負電子對撞機的加速器隧道內取景拍攝的。

那么，未來對撞機會如何發展？中國又有哪些機會？其實，對撞機物理一直在穩定發展中。2012年，在歐洲的大型強子對撞機上，科學家們發現了一種可以給其他基本粒子賦予質量的粒子，這種粒子被稱為“希格斯粒子”，因為這種粒子與質量的特殊關系，它也常被媒體稱為“上帝粒子”。希格斯粒子不僅僅和物質質量的起源有關系，早期宇宙演化的過程、暗物質等待探索的領域也與希格斯粒子息息相關。因此，未來對希格斯粒子的精確研究是國際粒子物理學界的共識。

在發現這種粒子的同時，科學家們也對它的質量進行了測量，并得出了最高效地產生這種粒子的方式，那就是以特定的能量進行正負電子對撞，能夠通過這種形式大量產生希格斯粒子的對撞機被稱為“希格斯工廠”。

有了這一信息，全球粒子物理研究主要強國紛紛提出了各自未來的“希格斯工廠”的方案。其中，2012年下半年，中國的科學家就率先提出了在中國建造環形正負電子對撞機方案，而歐洲科學家也緊隨其后，提出了歐洲版的環形正負電子對撞機方案。日本的粒子物理學家則調整了原有的直線對撞機運行方案的能量，使得日本的對撞機方案也能大量產生希格斯粒子。

最近幾年，在美、日、歐等國家和地區制定的粒子物理發展規劃中，希格斯粒子的研究無一例外地均居于核心地位。歐洲的粒子物理發展戰略認為，“希格斯工廠”是未來發展的最高優先級；美國的粒子物理戰略討論報告指出，美國將參加有希望最早實現“希格斯工廠”對撞機的項目。而2016年中國物理學會高能物理分會的決議中，也明確寫明，我國提出的環形正負電子對撞機是我國未來高能加速器物理發展的首選項目。

與國際上其他幾個“希格斯工廠”方案相比，中國方案在時間線上、粒子產出效率以及造價上均有一定的優勢，因此也被國際粒子物理學界廣泛視作未來旗艦型項目的主要選擇之一。由于下一代對撞機的強大能力，國際上普遍認為，最先實現的“希格斯工廠”對撞機，將會成為未來國際粒子物理研究的核心。

應該說，如果中國能夠把握住建設“希格斯工廠”對撞機的機會，那么下一代的中國粒子物理學家就真的有機會站到國際粒子物理學研究舞臺的正中央。

（內容轉載自《光明日報》2023-02-09 16版。）