ZKIZ Archives


中國該不該建超級對撞機?

來源: http://www.infzm.com/content/119636

在做出希格斯玻色子等重大發現後,歐洲科學家認為花在LHC上的錢是值得的。(南方周末資料圖/圖)

中國需要建造像萬里長城一樣引人矚目的大型加速器嗎?支持者和反對者最近就遙遠的科學目標和龐大的經費等一系列問題展開了激烈的爭論。

中國該不該建造超級對撞機?最近,這個本屬高能物理領域的專業問題突然進入了普通人的視野。

2016年9月4日,著名物理學家、94歲高齡的楊振寧公開發表《中國今天不宜建造超大對撞機》一文,用七條理由反對了此前數學家丘成桐的“幾點意見”。一天後,楊振寧的文章便收到了中科院高能物理所所長王貽芳的逐一反駁,後者正大力推動在中國建造超級對撞機的項目。隨後王貽芳的論述,又遭到了曾參與美國超導超級對撞機(SSC)項目的哈佛大學物理學博士王孟源的反駁。

幾個回合的公開辯論,讓正在預研中的環形正負電子對撞機(CEPC)及更長遠的質子對撞機(SppC)陷入爭論的漩渦中。

昂貴的工程

科幻小說《三體》中,三體人的智能機器“智子”通過大型粒子對撞機的實驗出現數據隨機化,完全抹殺了物理進步的可能性。很多科學家難以在現有理論體系找到一個自洽的結果,最終在壓力下自殺。直接導致了人類物理知識無法進步,使人類在與三體人的戰爭中不堪一擊。

盡管小說中把對撞機對物理學科進步的貢獻作了些誇張,但對撞機成為推動物理學發展的“利器”已經無需再做證明。

二十世紀被譽為物理學的“黃金世紀”,正依賴於高能物理學理論與實驗的蓬勃發展。相對論和量子力學相繼誕生,從理論上有效解釋了微觀世界在高能環境中現象。

從原理上看,對撞機通過提高粒子運動的速度,獲得高能量的粒子,對另一個粒子進行撞擊。和宏觀世界中的物體之間大力撞擊一樣,微觀粒子也將會被撞擊成許多小碎片——可能產生出新的粒子,也可能會造成兩者的相互作用,進而與探測器中的物質發生反應。

這樣,科學家們就可以通過比較撞擊前後各種粒子的運動狀態,推斷出新粒子的性質。

同時,對撞機還能夠從微觀尺度上模擬宇宙大爆炸初期的形態,探索誇克、暗物質與反物質、引力等物理學基本問題的本質。

上世紀五十年代初,提高粒子的速度成為實驗物理學家亟待解決的關鍵問題。

中國粒子加速器之父謝家麟在其著作《加速器與科技創新》中寫道:“在解決了原理問題後,提高能量受到了經濟上的限制。”隨著能量的提高,加速器中使用的磁鐵重量和造價急劇上升。同時,由於橫向聚焦力不夠,加速器中的真空盒尺寸必須很大,造成磁鐵的磁極間隙大,依然需要很重的磁鐵。

1954年,美國勞倫斯國家實驗室建成一臺6.2億電子伏特(GeV)能量的同步加速器,磁鐵的總重量高達1萬噸。

從一開始,加速器建造便是一項昂貴的工程。

與此同時,理論物理學家也在原理上開始不斷探索。美國科學家柯隆(E.D. Courant)等人於1952年發表了“強聚焦原理”的論文。論文中寫道,根據這一原理建造強聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁鐵的造價大大降低。

高能物理界普遍認為,這一原理上的創新是加速器發展史上的一次革命。此後建造的加速器中則普遍采用了強聚焦原理。1953年建成的美國布魯克海文國家實驗室(BNL)質子同步加速器“COSMOTRON”,能量達到33GeV磁鐵總重量只有4000噸。

在科學家對加速器高能量孜孜不倦的追求中,對撞機誕生了——如果采取兩束加速粒子對撞的方式,可以使加速的粒子能量充分用於高能反應或新粒子的產生。

1960年,意大利科學家陶歇克(B.Touschek)首次提出了對撞機的新原理,並在意大利的Frascati國家實驗室建成了直徑約1米的AdA對撞機。

據謝家麟總結,截至2000年前後,自世界上建造第一臺加速器以來,七十多年中加速器的能量大致提高了9個數量級,每單位能量的造價降低了約4個數量級。“如此驚人的發展速度在所有的科學領域都是少見的!”他評價道。

丘成桐認為強子對撞機會使中國成為粒子物理學的新中心,這對中國的科技水平有極大的促進作用。(南方周末資料圖/圖)

楊振寧對用大型對撞機找超出標準模型的“超對稱粒子”表示悲觀,稱“造大對撞機是進無底洞”。(南方周末資料圖/圖)

LHC物有所值

上世紀七十年代,“標準模型”理論逐漸豐滿,建造起物理學的大廈。物理學家認為,自然界具有四種基本的力,包括強力、弱力、電磁力和引力。廣義相對論能夠描述引力,而標準模型理論則可以描述強力、弱力、電磁力三種基本力及基本粒子,能夠很好地解釋基本粒子的特性和相互作用。

根據中科院高能物理所官方網站提供的資料,標準模型理論研究肇始於科學家對楊振寧等人提出的“規範場理論”(也被稱為“楊-米爾斯理論”),與實驗觀測不符。在規範場理論中,“對稱性”禁止了一種被稱為“規範玻色子”的粒子帶有質量。如果不解決理論和實驗之間的矛盾,物理學在這一領域的研究就失去了基礎。

丘成桐曾對“規範場理論”給予極高的評價,他(楊振寧)影響最大的工作莫過於把規範場理論推廣至“非交換”的情況,到七十年代完成的高能物理標準模型的建立,則依賴非交換的規範場理論。

不僅如此,2003年,在歐洲核子中心(CERN)召開的一次紀念會上,理論物理學家史蒂芬·溫伯格(Steven Weinberg)也對“規範場理論”進行了高度贊揚:“這是一個優美的理論,正是讓粒子理論學家們從心底里感到高興的東西。”

回顧歷史,六十年以來,在高能對撞機上每一次得出的重要結果,都能震撼人心。丘成桐看到,這些實驗背後的基礎,都用到了這一理論,“每一次突破後,我們對楊先生的學問更加佩服”。

對於高能物理而言,2008年是一個里程碑。人們已經期待了二十多年時間的大型強子對撞機(LHC)終於在CERN落成——這是世界上最大的機器,能量高達14萬億電子伏(TeV),數百萬計的粒子在全長26.659公里的環形隧道中以接近光速的速度狂飆;兩束粒子發生碰撞的地點溫度達到太陽中心溫度的10萬倍,而超流體氦冷卻技術將加速腔內的溫度降至接近絕對零度。

超現實的規模和技術意味著巨大的開銷。為了盡可能地節省經費,LHC首先利用了CERN原來已有正負電子對撞機(LEP)現成的隧道,節省了大筆隧道的建造費用。根據CERN提供的官方資料,包括人力和材料在內的對撞機本身的總費用,高達60.3億瑞士法郎,相當於當時的人民幣約410億。

另外,兩個巨大的探測器超環面儀器(ATLAS)和緊湊渺子線圈(CMS)僅材料費用就分別為5.4億瑞士法郎和5億瑞士法郎,相當於人民幣約37億、34億元。兩個中型探測器大型離子對撞機(ALICE)和底誇克探測器(LHCb)分別為1.14億瑞士法郎、0.75億瑞士法郎,相當於人民幣約7.8億、5.1億。

盡管歐洲人省了又省,但LHC的花銷仍然是一筆天文數字。尋求國際合作成為LHC籌集經費的重要途徑,34個國家超過2000位物理學家所屬的大學和研究機構都參與了LHC的建造。

中國也不例外。時任科技部基礎司司長張先恩在2009年1月的《中國基礎科學》雜誌上發表特稿,稱“中國科學家參與了LHC全部4個大型探測器實驗的合作,出色完成了所承擔的探測器部件研制、建造與安裝工作,取得了數據分析的入場券”。當然,這些項目得到了來自中國科學院、國家自然科學基金委、教育部及科技部的資金支持。

LHC進行了高能對撞、迷你爆炸等實驗,其中最知名的莫過於找到希格斯粒子。標準模型理論將粒子分成費米子和玻色子兩大類,共預言了61個基本粒子。其中,當1995年美國費米實驗室的萬億電子伏特加速器“Tevatron”發現了頂誇克之後,最後一個基本粒子“希格斯粒子”(Higgs boson)遲遲未在實驗中現身,成為標準模型是否成立面臨的最大挑戰。

2011年12月13日、2012年7月4日、2012年7月31日,CERN多次公布實驗數據,表明希格斯玻色子存在的“跡象”。2013年,CERN宣布,之前的種種“跡象”被確認,他們找到的新粒子確實是希格斯玻色子。曾預測希格斯玻色子存在的比利時理論物理學家弗朗索瓦·恩格勒和英國理論物理學家彼得·希格斯分享了當年的諾貝爾物理學獎。

至此,在長達半個世紀理論與實驗的發展後,標準模型隨著希格斯玻色子的發現而最終得到了驗證。許多理論物理學家認為,當年花在LHC上的錢也算值了。

“中國計劃”的爭議

找到希格斯玻色子之後,物理學還能幹什麽?

2012年9月,中國科學家提出建造下一代環形正負電子對撞機(CEPC)並適時改造為高能質子對撞機(SppC)的方案,分別將精確測量希格斯粒子、深入研究對稱性自發破缺機制以及尋找超出標準模型的新粒子、理解宇宙中暗物質和暗能量的本質作為科學目標。

根據2015年初完成的《CEPC初步概念設計報告》,這一項目計劃建設周長50-100公里、能量250GeV的環形正負電子對撞機,加上比LHC能量高7倍的質子對撞機,CEPC-SppC聽上去比當初的LHC更加激動人心。正如諾貝爾物理學獎得主大衛·格羅斯(David Gross)所言,這是“中國的偉大加速器”,“和萬里長城一樣引人矚目”。

毋庸置疑,它也將是一項更加昂貴的工程。王貽芳在反駁楊振寧意見一文中提到,CEPC第一步建造階段,造價約為400億人民幣,第二步建造SPPC階段造價在1000億人民幣以內。“如果減去國際貢獻約30%,中國政府在兩個階段出資分別為300億人民幣和700億人民幣。”

而支持者丘成桐的意見是強子對撞機不僅會使中國成為粒子物理學的新中心,項目建成後,至少還會有五六千名各國一流科學家為做實驗舉家遷往中國,且長期居住。他認為,這對中國的科技水平有極大的促進作用。除此之外,強子對撞機有利於增強民族自豪感,也是中國的民族尊嚴得到體現的表現。

歸根結底,這一項目的性價比成為此次爭論的焦點。

首先,楊振寧對用超大對撞機找超出標準模型的“超對稱粒子”表示悲觀,認為超對稱粒子的存在“只是一個猜想”,沒有任何實驗根據。他質疑了中國科學家SppC科學目標的可行性。

關於CEPC的“精確測量”的科學目標,曾參與法國巴黎直線對撞機項目的中科院高能物理所副研究員阮曼奇表示,以LHC為代表的質子對撞機能產生更高的對撞能量,但巨大的“噪聲”讓其精度受限。而正負電子對撞機的特點則恰恰相反,在精細測量上擁有不可替代的優勢。“這兩種對撞機之間一般具有良好的互補性。”阮曼奇近期撰文稱,“在希格斯粒子測量方面尤為如此。”

不過,史蒂芬·溫伯格(Steven Weinberg)的博士生王孟源認為,升級後的LHC和日本正在修建的ILC已經能夠承擔這一科學目標。但迄今尚未有其他的高能物理學家詳細闡述這一點。

英國牛津大學實驗物理學家伊恩·希普西告訴南方周末,就在十年前,中國粒子物理學家對修建這樣一座大型機器還有所猶豫。“但在北京正負電子對撞機和大亞灣中微子實驗取得的屢次成功中,特別是2012年發現了中微子第三種變化,”伊恩表示,“中國科學家應該對建造這臺新機器報以極大的信心。”

更大的爭議集中在經費上。

2013年6月12日至14日,以討論科學前沿問題為主的香山科學會議召開了一次與“下一代高能正負電子對撞機”密切相關的討論會。中科院高能物理所所長王貽芳在會議中非常贊成CEPC-SppC項目。他表示:“特別是未來的質子對撞機,將使我國的粒子物理遠超國際上任何其他國家。”當時就有專家提出,環形對撞機技術尚不成熟、造價高,“三百億的項目國家不一定能批準”。

楊振寧認為,高能所建議的超大對撞機預算不可能少於200億美元。他還以美國建造超導超級對撞機(SSC)的失敗經驗作為案例,稱“造大對撞機是進無底洞”。1989年,美國開始建造當時世界最大的對撞機,預算開始預估為30億美元,後來數次增加,達到80億美元。1993年,盡管帶著遺憾和痛苦,美國國會還是終止了這一計劃。

溫伯格是這一計劃的力推者。聲稱了解SSC評審情況的溫伯格的博士生王孟源表示,這是因為SSC的預算被溫伯格低報了。“原本預算是44億美元,1993年被裁的時候總進度不到20%,隧道挖了不到三分之一,預算已經漲到120億美元了。”王孟源在最近反駁王貽芳的文章中寫道。

2016年6月2日,中國物理學會高能物理分委會擴大會議集中討論了“十三五”發改委“先進加速器驗證裝置”項目申請,決定為CEPC申請“十三五”發改委項目,資金約為8億元人民幣。不過,該項目因一票之差未能進入下一輪評審,失去了未來五年來自發改委的經費支持。

而科技部則在十幾天後初步批準3600萬人民幣用於CEPC探測器和加速器部分關鍵技術的預研。

這些跡象都表明,無論科學家的呼聲多高,CEPC-SppC項目的性價比是當前能夠獲得中國政府資助的關鍵。

稍縱即逝的“窗口”

中國高能物理學家還有一個重要的理由——當前,在激烈的國際競爭中,建造大型對撞機的時間“窗口”正在顯現。王貽芳曾表示,一旦用CEPC-SppC占領世界物理制高點,中國高能物理將由此打開一個全新的局面,站到世界最前列。

據南方周末了解,中國在高能物理領域的主要競爭對手包括日本和歐洲,即ILC和升級後的LHC。據《自然》(Nature)雜誌報道,2016年,日本文部科學省會就是否在國內開展ILC項目作出表態。如果批準通過,實驗將於2030年啟動。

但是,為文部科學省提供顧問服務的日本專家小組2015年卻表示,研究希格斯粒子和頂誇克的機會本身不構成建造ILC的充足理由,日本將等到2018年LHC首次最大能量運行後再作決定。

高達100億美元的預算和同樣有爭議的科學目標,也成為ILC遲遲未獲批準的原因。日本高能加速器研究機構總幹事Masanori Yamauchi透露,一個由日本文部科學省和美國能源部組成的聯合小組正在討論如何降低ILC的開支。“開支還可以減少大約15%。”他說。

歐洲核子中心(CERN)已經開始組織對未來環形對撞機的設計研究,有意建造周長為100公里的環形對撞機,其能量將達到LHC的7倍多,是CEPC的有力競爭對手。不過,在2030年之前,CERN都會將主要精力放在提高LHC的質子束密度而非增強能量。

在中國高能物理學家看來,上述兩種情況恰恰為中國提供了建造超級對撞機的最好時機。“這個機遇期的時間窗口只有10年,失去這個機會,下一次就不知道什麽時候了。”王貽芳稱。

中國 不該 超級 對撞機 對撞
PermaLink: https://articles.zkiz.com/?id=215282


ZKIZ Archives @ 2019