杨振宁、丘成桐争议中挺进的将耗资千亿元中国大型对撞机有新进展了！

【中国科学报】“超级对撞机”有了新眉目 三年完成《概念设计报告》 六年来在争议中前行

环形正负电子对撞机概念图

11月14日下午，大型环形正负电子对撞机（CEPC）研究工作组正式发布了CEPC的《概念设计报告》。

2018年11月14日，CEPC《概念设计报告》正式发布。CEPC团队、国际顾问委员会部分委员和CEPC《概念设计报告》国际评审委员会成员合影。图/中国科学院高能物理研究所

2012年，中国高能物理学家提出 CEPC 计划。由于身材庞大，CEPC被很多人称为“超级对撞机”。同时，因为耗资巨大，它也曾多次掀起物理学界争议。

项目的支持者认为，超级对撞机将使中国成为世界物理学研究中心，并促进工业技术发展；反对者认为这台对撞机将成为耗资巨大的无底洞，性价比不高。

“最早出现争议的时候，我们的争议还没有一个明确的对象，现在《概念设计报告》出来了，这为将来的讨论提供了基础，我们希望未来关于CEPC的决策可以立足科学问题。”CEPC机构委员会主席高原宁在接受《中国科学报》记者采访时说。

在争议中推进的“希格斯工厂”

2012年7月4日，在欧洲核子研究中心（CERN）的加速器大型强子对撞机（LHC）上工作的超环面仪器（ATLAS）和紧凑缪子线圈（CMS）两个实验同时观测到了希格斯粒子。

希格斯粒子又被称为“上帝粒子”，因为它将质量赋予了已知的所有基本粒子。然而，依据现有的粒子物理标准模型，人类还无法计算或预言希格斯粒子本身的质量。

在观测到希格斯粒子之前，人们一直以为需要将两个粒子的能量提升到很高才能对撞出希格斯粒子，但是，2012年的那两个实验让人们意识到，观测到希格斯粒子所需要的能量比预期要小，只有约1250亿电子伏特（125GeV）。

于是，下一代正负电子对撞机发展的新思路诞生了——可以建造能量较低、实验环境更为干净、性价比更高的正负电子对撞机，大量产生希格斯粒子，形成“希格斯工厂”，进而对希格斯粒子进行系统研究，并发现新的物理现象和物理规律。

当全世界为观测到希格斯粒子欢呼时，2012年，中国高能物理学家提出了CEPC计划，并启动了该项目的预研，团队用两年多时间发布了《初步概念设计报告》。

然而，就在《初步概念设计报告》发布后不久，CEPC引发了物理学界的广泛争议。诺奖得主杨振宁的《中国今天不宜建造超大对撞机》将争议引向高潮。

杨振宁认为造巨型对撞机是“进无底洞”；建造花费巨大，将会影响其他基础科学的发展；高能物理要发展不一定要靠造巨型对撞机，也有不费钱且符合世界经济发展趋势的途径等。

之后，CEPC团队用了三年时间，正式完成了《概念设计报告》。

“《初步概念设计报告》之所以是‘初步’，就是因为有一些设计没有达到预期指标，但是《概念设计报告》意味着CEPC已经可以在理论层面达到预期指了。”CEPC机构委员会副主席、中国科学院高能物理研究所研究员高杰告诉记者。

他表示，接下来，CEPC项目团队将以《概念设计报告》为基础，完成关键技术预研，计划于2018年至2022年间建成一系列关键部件原型机，验证技术和大规模工业加工的可行性。

“这项工作的严肃性在全世界引起了越来越多的关注，并为下一步的《技术设计报告》和工程设计以及未来建设计划时间表的可行性奠定了良好基础。”台湾大学教授、亚洲高能物理委员会主席侯唯恕说。

一个耗资300多亿的“大圈”

按照概念设计，CEPC将是一个埋在地下100多米处的周长100公里的“大圈”，至少会有两台探测器同时进行科学实验。

中国科学院高能物理研究所研究员阮曼奇介绍，CEPC以秦皇岛地质结构为参考，进行了概念设计研究，预期于“十四五”开始建设，并于2030年前竣工，预估大约将耗资300多亿人民币。

这个“大圈”由两大部分组成，一部分是加速器，另一部分是探测器。

阮曼奇介绍，加速器主要负责产生正负电子并加速，最终精确聚焦对撞、制造极端环境，产生具有科学研究价值的物理事件。加速器的主要组成部分是一个小型直线加速器和一个与对撞储存环同样长度的增强器，把正负电子的能量提高到研究所需的值。能量达到研究所需后，粒子就会送入两个储存环进行对撞。

探测器则相当于可以高速、高精度拍照的立体显微镜，由多种不同的子探测器组成，用来记录带电和不带电的各种微观粒子。同时，这个“照相显微镜”也会采用最新的软件技术，与最新的大数据、机器学习等发展紧密相关。

在设计CEPC大致模样的同时，研究团队还规划了前10年的实验内容。

最初的7年内，CEPC将在质心能量2400亿电子伏特（240GeV）处运行，以研究希格斯粒子。随后2年，CEPC将在910亿电子伏特（91GeV）处运行，以研究Z玻色子和重味物理。另外一年时间，CEPC计划在1600亿电子伏特（160GeV）附近研究W玻色子物理。

而在这10年后，CEPC 未来可能发展方向之一是升级为一个超级质子—质子对撞机（SppC），质心能量将达到100万亿电子伏特（100TeV），以便在大范围内直接寻找新的物理现象和物理规律。

阮曼奇介绍，在为期十年的实验计划中， CEPC将生产超过100万个希格斯粒子，此外还将生产1亿个W玻色子和近1万亿个Z玻色子。

“CEPC计划与国际稍早的国际线性对撞机（ILC）、紧凑型线性对撞机（CLIC），以及同时期的未来环形对撞机（FCC）项目处于竞争地位。”阮曼奇说。

等待国家支持

在《概念设计报告》的扉页，可以看到很多国内外科学家的签名。

“签名者一部分是参与报告研究和撰写的人，还有一部分是支持并有意愿参与CEPC研制工作的人。”高原宁说。

在高原宁看来，CEPC的首要物理目标是深入研究希格斯粒子的性质，从而探索高能物理面临的重要问题，国际科学界参与CEPC研制的兴趣越来越浓厚，也正是因为这样的科学目标具有重要意义。

“国际高能物理界非常希望参加 CEPC 的研发和将来的科学实验，这将会大大促进人类对物质最基本组成单元的进一步理解。”国际未来加速器委员会和亚洲未来加速器委员会主席、墨尔本大学教授Geoffrey Taylor说。

高原宁告诉记者，目前国家在立项方面还没有给出明确的信号，科学家们期待着以政府间合作的形式推动CEPC的预研和建设。

CEPC 指导委员会主席、中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士王贻芳表示，对于中国的高能物理来讲，这是一个绝佳的历史机遇，一方面，该方案可以进一步理解希格斯粒子的性质、宇宙早期演化、反物质丢失、寻找暗物质、真空稳定性等一系列未解的关键科学问题和寻找新的物理规律，另一方面，中国可以通过努力建成自己的希格斯工厂和国际领先的“创新合作平台”，成为该领域全世界的领跑者。

（原载于《中国科学报》 2018-11-15 第1版 要闻)

大型对撞机是什么，为什么要建？

从概念来看，对撞机是在高能同步加速器基础上发展起来的一种装置，其主要作用是积累并加速相继由前级加速器注入的两束粒子流，到一定束流强度及一定能量时使其在相向运动状态下进行对撞，以产生足够高的相互作用反应率。

一位中国科技大学物理专业研究人员告诉每日经济新闻记者，简单地说，对撞机原理就是通过不断的提升能量和撞击次数，能够发现更多的新粒子或者粒子的新性质，从而有望解答我们在物理学中遇到的困惑。

“此前，最大的大型强子对撞机（LHC）位于日内瓦附近的侏罗山地下。大型强子对撞机直到现在，也没有发现任何超对称粒子存在的迹象。有科学家认为，这可能仍然是LHC的设计局限造成的。或许新的粒子中绝大多数的质量都超出了LHC可探测的能标。那么，一台更大、更强的强子对撞机，应该就能够回答我们的困惑。这也是很多科学家对中国建设新的强子对撞机寄予期待的原因。”上述研究人员说道。

中国科学院大学物理科技学院副院长郑阳解释说，用对撞机把能量加到很高，将动能转化成物质。对撞机可以产生很高能量，将动能转化成各种各样新奇的粒子。

郑阳认为“此前欧洲大型对撞机上发现的希格斯粒子，就因其是让整个宇宙产生质量的原因，而被称作‘上帝粒子’。本来宇宙空无一物，‘上帝粒子’却让物质产生了重量”。

分歧一：大加速器造价都是“无底洞”吗？

在此次双方的争论中，巨额的建造成本无疑成为各方关注的焦点。杨振宁认为：

根据以往各国建造对撞机的经验，比如美国中止了项目，浪费了30亿美元；欧洲核子研究组织（CERN）现运行的大型强子对撞机LHC耗资100亿美元，对撞机的建造成本是无底洞。他预估，中科院高能所建议的超大对撞机预算将高于200亿美元（1335亿人民币）。

此外，杨振宁表示，中国人均GDP少于巴西、墨西哥，有数亿农民与农民工，还有急待解决的环保、教育、医药健康等问题。建造超大对撞机，费用奇大，效果难以预料，中国现阶段更应关注民生问题。

图丨王贻芳此前的文章（来源：中科院之声）

中科院高能物理研究所所长王贻芳在次日的文章中回应，到底需要多少钱？我们规划的大型对撞机项目（以周长为100公里算）分两步走：第一步正负电子对撞机（CEPC）建设阶段，约在2022-2030年间，工程造价（不包括土地、“七通一平”等）约400亿人民币。第二步质子对撞机（SPPC）阶段，工程造价在1000亿人民币以内，时间是在2040-2050年左右。这里如果减去国际贡献约30%，中国政府应该出资大约300亿人民币（每年30亿）和700亿人民币（每年70亿），但不包括未来的通货膨胀。

王贻芳说，从占GDP的比例来看，大型对撞机的造价并没有超过上世纪80年代的北京正负电子对撞机。王贻芳认为，在下一个五年计划开建大型对撞机，是高能物理领域领先国际的一个难得机遇。

北京时间 11 月 24 日，Nature 在其官网刊发了一篇与中国高能物理所（IHEP）所长王贻芳的访谈。全文并不算长，但却涉及中国超大量子对撞机的最新进展、中国未来在全球高能物理界的位置等关键问题，也不禁让人联想起此前一次源于丘成桐、杨振宁的现象级科学大讨论——中国到底应不应该建大型粒子对撞机。某种程度上，这一次的访谈可以被看做上一次讨论的延续。

图丨 Nature 官网报道（来源：Nature）来原：DeepTech深科技

IHEP 的物理学家正在设计世界上最大的粒子对撞机。Nature 认为，一旦建成，这个 100 公里长的设施将使得欧洲粒子物理实验室在瑞士日内瓦附近建成的 27 公里长的大型强子对撞机（LHC）相形见绌，不仅如此，前者的成本只有 LHC 一半左右。这个价值上百亿的圆形正负电子对撞机（Circular Electron–Positron Collider，以下简称 CEPC）正是王贻芳的心血结晶。

分歧二：制造大型对撞机能破解难题？

杨振宁表示，建造大型对撞机不仅会大幅度挤压其它基础科学的科研经费，而且未来希望用对撞机发现猜想中的粒子也是不会成功的。

王贻芳则表示，目前中国的基础研究经费占研发经费的比重仅5%，低于发达国家的15%，这意味着基础研究经费仍有大约每年1000亿人民币以上的增长空间。

王贻芳认为，现在预言对撞机会发现或不会发现猜想中的粒子，过于武断，也不是国际高能物理学界的主流意见。造大型对撞机可以使我国在相关技术领域领先国际，使一些重要产品实现国产化并走到世界最前沿。

“此外，成立这样的大型科研项目，也有利于形成一个国际科学与技术中心引进吸收国外的智力资源，培养几千名物质科学及相关技术的顶尖人才。”王贻芳反驳道。

杨振宁则表示，有些高能物理学家希望用超大对撞机发现“超对称粒子”，但找超对称粒子已有很多年了，完全落空。

“国际上许多物理学家，包括自己在内，都认为超对称粒子的存在只是一个猜想，没有任何实验根据，希望用极大对撞机发现此猜想中的粒子更只是猜想加猜想”。杨振宁说道。

分歧三：高能物理研究有益人类生活吗？

杨振宁认为，七十年来高能物理的大成就对人类生活没有实在的好处，未来也很难预测这类科研成果是否会给人类生活带来直接的影响和好处。“高能物理的突破之前没有、今后也无法在短中期内给人类生活带来益处，反而会对解决国内的民生问题不利。”杨振宁说道。

王贻芳表示无法认同高能物理与人类生活的脱节。“没有高能物理，就没有（或者推迟出现）触摸屏，智能手机就是一个梦想；没有高能物理，就没有WWW网页，大家就不能上网，网络经济更是无从谈起。人类从WWW网页中得到的收益，已远远大于此前对高能物理的全部投入。”

王贻芳表示，第一阶段300亿人民币的投入，至少使我们可以在一些技术方面实现国产化，并领先国际。分别是高性能超导高频腔；高效率、大功率微波功率源；大型低温制冷机以及高速、抗辐照硅探测器、电子线路与芯片。

哈佛大学教授丘成桐说道：“值得高兴的是，这一项目在美、欧等国和地区获得了广泛的支持。“美国、欧洲的物理学家都对这个项目表示支持。伴随该项目的推进，中国不但可以成为相关领域的领跑者，还可以借助项目吸引大批世界顶尖科学家到中国交流工作，甚至扎根中国，这将对中国科学发展产生巨大而深远的影响。”

丘成桐还表示，当前对第一阶段CEPC的建设，中国有一定的基础，也有信心能够完成。而升级为质子对撞阶段，国内外相关技术还需一段时间的发展，目前尚不具备。

综合自每日经济新闻 nbdnews、：DeepTech深科技

《中国超大型对撞机之讨论》书评

来源：中科院高能所 2016-12-22

■邢志忠/文

近日，世界科技图书出版公司（World Scientific）以超快的速度出版了《中国超大型对撞机之讨论》（卷一）一书，总结了过去几个月科学界有关是否应该在中国建造昂贵的超级对撞的争论和评论。正如该书主编之一、新加坡南洋理工大学教授潘国驹先生在序言中所指出的那样，将杨振宁、格罗斯（David Gross）、威滕（Edward Witten）、丘成桐和王贻芳等大物理学家的观点整理成书，有利于大家全面客观地了解这次关乎中国高能物理学未来发展之路、可能影响深远的大讨论。

《中国超大型对撞机之讨论》（以下简称《讨论》）的主体部分聚焦于在中国建设超大对撞机的讨论，收集了国际著名科学家、一线物理学家和科学史学者的文章16篇。作为对主体部分的补充，该书也收集了3篇文章，简要地介绍了其他国家发展巨型加速器的经验教训。

在题为“中国今天不宜建造超大对撞机”的文章中，杨振宁先生开宗明义，阐述了自己反对中国物理学家提出的超大对撞机建设计划的七个理由。这些理由早已众所周知（最早发表于2016年9月4日的《知识分子》微信号），在此不再赘述。高能所的王贻芳教授和加州大学的格罗斯教授针对杨先生的七条理由分别做了一一反驳。王教授表示，“杨先生是我尊敬的前辈科学家，我更尊重科学和理性。”，“面对未来，我们应该更多地听取科研一线新生代科学家的意见，他们才能引领我们的科技事业兴旺发达，领先国际”。格罗斯教授的态度也十分明确：“杨振宁教授是上世纪物理学的伟人之一，他最近表示反对在中国建设超大对撞机，我对此完全不能认同。”，“今天，在这个物理学发展的关键历史时刻，中国面临着为物理学做出巨大贡献、同时也一举使自己成为基础物理学的世界领导者的黄金机遇。如果中国在这个时候因为听信了同样的错误论点而重复美国当年犯下的严重错误，那将是一场悲剧。”。

格罗斯所指的“美国当年犯下的严重错误”，就是1990年开工、1993年下马的超导超级对撞机（简称SSC）项目。《讨论》一书收集了凝聚态物理学一代宗师安德森（Philip Anderson）教授的意见。在这篇题为“我为什么反对超导超级对撞机”的文章中，安德森把自己的想法总结成四句话，针对那些支持粒子物理学具有独特价值的观念提出质疑：

（1）与日常相关的科学也同样基础；

（2）钱很重要，但人才与教育更重要，并受钱的影响；

（3）剔除论证中的“带动效应”；

（4）金蛋很少产自金鹅。

应该说，安德森等大牌科学家对SSC项目的反对意见，当年确实在一定程度上帮助了美国政治家最终取消这个项目。然而，时任美国总统的克林顿（Bill Clinton）却在1998年的一场面向麻省理工学院毕业生的演讲中表达了某种悔意。他说“This discovery（指的是日本科学家发现大气中微子振荡）calls into question the decision made in Washington a couple of years ago to disband the Superconducting Supercollider, and it reaffirms the importance of the work now being done at the Fermi National Acceleration Facility in Illinois”。SSC下马之后不久，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）就上马了，并在2013年成功地发现了被称为“上帝粒子”的希格斯粒子。

《讨论》一书也收集了在科学史研究方面颇有成就的华人学者江才健和曹天予等人的文章。作为《杨振宁传》的作者，江才健旗帜鲜明地站在了杨先生这一边，表达了自己的如下关切：“是否只有在虚无缥渺的物理领域的工作，才是替人类文明做出了贡献？我很同意曹天予文章最后的两句话，“从几千万离乡背井打工蚁居的农民工身上挤出来的上千亿元应该怎么花，能让几个实验专家说了算吗？””。或许曹天予这样的质疑代表了一部分普通民众的情绪。有关巨型对撞机建造与否的讨论交织着学者和大众对中国科学、社会、经济等各方面问题的焦虑和思考，可能需要足够长的时间才会回归完全理性的轨道。

某种意义上，no new machines, no new sciences。对于基本粒子物理学而言，挑战更高的能量前沿和更强的亮度前沿永远是发展和突破的驱动力，至少我们知道标准模型本身还远非一个理想的理论体系。中国高能物理学家所提出和正在推动的环形正负电子对撞机（CEPC）和超级质子对撞机（SppC）项目，或许将成为这一驱动力在未来几十年的光荣延续。

最后列出《讨论》（卷一）一书所有文章的标题和作者，读者从每篇论文的题目就可以大致看出作者所持的观点，赞成或者反对。

目录：

在中国建设超大对撞机的讨论

1）杨振宁：中国今天不宜建造超大对撞机

2）格罗斯（David Gross）：若中国重复美国弃建错误，将是一场悲剧

3）王贻芳：中国建造大型对撞机，今天正是时机

4）曹天予：丘-杨分歧及其语境——对撞机的价值与利益集团的忽悠

5）戴自海：谈杨振宁/支持中国建设巨型对撞机

6）韩涛：关于中国建造大型对撞机的一些看法

7）侯维恕：杨先生与赛先生：大型对撞机之我见

8）江才健：中国造超级加速器的风波背后

9）科内纽森（Steven Corneliussen）：美国物理学家争论中国巨型加速器计划

10）娄辛丑：巨型加速器“两步走”方案未寄望于偶然发现

11）吕浩然、徐可：王贻芳再谈大型对撞机：让中国成为“世界第一”的一项政治决定

12）马宏等：在美物理学者联名：中国建造希格斯工厂的黄金机遇

13）唐靖宇：超级对撞机是面对20年后的世界

14）王连涛：中国的巨型对撞机要做什么物理？

15）吴为民：我支持中国建CEPC，但是以美国的积极参与为前提

16）许仲平：中国是否应该建造大型对撞机？是否能振兴中华文明？

其他国家的经验

17）安德森（Philip Anderson）：我为什么反对超导超级对撞机

18）唐靖宇：中国应该选择m子对撞机吗？

19）邢志忠：美国当年为什么放弃了超导超级对撞机项目？

十问“希格斯粒子”与“环形正负电子对撞机”

希格斯粒子究竟是什么？为什么全球数千位科学家，花费数十亿美元，坚持50年在寻找它？它被喻为粒子物理标准模型“最后的一块拼图”，可是为什么当它终于被发现，科学家们却说这是人类探索基本粒子的新开端？中国科学家为什么想要建造下一代环形正负电子对撞机来“批量生产”它？为什么这是我国高能物理研究，甚至国家发展的难得机遇？

通过以下十个问答，希望能让你对“希格斯粒子”与“环形正负电子对撞机”的了解深入一步。

1、什么是粒子物理的“标准模型”？

粒子物理的“标准模型”是一个描述物质世界的基本构成（基本粒子）及其相互作用的理论，于20世纪60至70年代在弱电统一理论以及量子色动力学的基础上逐步完善起来。物理学家温伯格（Steven Weinberg）、萨拉姆（Abdus Salam）和格拉肖（Sheldom Lee Glaschow）等是标准模型的奠基人。

该模型把基本粒子分为夸克、轻子和玻色子三大类别，共62种，这些粒子后来陆续被高能物理实验所证实。

粒子物理标准模型示意图

标准模型预言的希格斯粒子是自旋为零的玻色子。与之相关的希格斯机制为基本粒子的质量起源提供了动力学解释，因此是整个标准模型的基石之一。假如希格斯粒子不存在，那将成为标准模型的重大缺陷。

2、什么是希格斯粒子？它为什么被称作“上帝粒子”？

希格斯粒子是粒子物理标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，以英国理论物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）的名字命名。标准模型中的一些其他基本粒子受希格斯场的作用产生惯性，最终形成质量。因此可以说，希格斯机制为物质世界的形成奠定了质量基础。基本粒子有了质量才能产生引力，才会形成宇宙和生命。在过去几十年中，寻找希格斯粒子是许多大型高能粒子物理实验的最重要目标。

1988年的诺贝尔物理学奖获得者莱德曼（Leon Max Lederman）在其科普著作《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是问题？》中，首次把希格斯粒子称为“上帝粒子”，以强调它的重要性。此后媒体沿用了这一称呼，为公众广泛接受。

3、什么是希格斯场和希格斯机制？

简单来说，希格斯场是一种不可见的、遍及整个宇宙的能量场；希格斯机制是基本粒子的质量产生机制。在希格斯机制中，希格斯场引起弱电规范对称性的自发破缺，将质量赋予传递弱相互作用的规范玻色子以及费米子。希格斯粒子是希格斯场的量子激发，它通过自相互作用而获得质量。

根据粒子物理标准模型和宇宙大爆炸理论，宇宙起源于一次大爆炸，无数的正反粒子同时产生，轻子和夸克通过与希格斯场的相互作用获得了质量。这些粒子构成物质，通过长时间的演化形成了星系，最终形成今天的物质世界。

1993年，英国科技大臣曾向科学家们发出挑战，让他们用一页纸的篇幅向他解释清楚希格斯机制。他共收到117份作品，其中英国伦敦大学学院的物理学家戴维•米勒(David J. Miller)的解释被评为最优。

用漫画来解释希格斯机制。作者：David J. Miller

米勒把希格斯场比作在一个均匀分散着的一大群政客的房间，把一个没有质量的基本粒子比作前英国首相撒切尔夫人（Margaret Hilda Thatcher）。普通人可以任意穿过房间，就像光子一样。但是撒切尔夫人的到场，一定会吸引大量的关注：人们会围拢在她周围，减慢她穿行的速度，使她获得“质量”。这个类比形象地说明了没有质量的基本粒子是如何通过与希格斯场的相互作用而获得质量的。

4、希格斯粒子为什么如此难以捕获？

希格斯粒子作为质量之源，在137亿年前的宇宙大爆炸初始就已经完成了它的使命。现在，物理学家要再次捕获希格斯粒子的踪迹，就只有建造高能对撞机，通过高能粒子的对撞，来模拟宇宙起源的时刻，“复活”希格斯粒子。

大型强子对撞机LHC。图片来源和版权所有：欧洲核子研究中心

捕获希格斯粒子极为不易。希格斯粒子的质量是质子质量的上百倍，需要极高的能量对撞才能“撞”出来。在位于瑞士和法国交界的大型强子对撞机LHC中，每1012次的质子对撞，才可能产生一次希格斯粒子。就好比在一大堆沙子中，只有一颗金沙，把它找出来的概率极小。更麻烦的是，希格斯粒子极不稳定，一旦产生就转瞬即逝，十亿分之一秒后就会衰变成光子、轻子对和强子等其他粒子。

为了寻找这块“标准模型的基石”，全球的物理学家付出了近50年的艰辛努力。直到2012年7月，希格斯粒子才在欧洲核子中心的大型强子对撞机上被发现。

5、发现希格斯粒子对物理学有哪些意义？

2012年7月4日，欧洲核子研究中心召开全球新闻发布会， 宣布在大型强子对撞机LHC的ATLAS和CMS实验中，以近5倍标准偏差的统计显著度观察到一种质量为125GeV的新粒子，与标准模型希格斯粒子的预期一致。

CMS实验捕获希格斯粒子的示意图。图片来源和版权所有：欧洲核子研究中心

希格斯粒子的发现，填补了标准模型最重要的一个缺口，使标准模型的理论基础更加坚实，成为下一步粒子物理理论和实验发展的新路标。基础物理学因此面临着一个重要的转折和发展机遇。所以，这一发现被认为是物理学在标准模型建立后的近几十年来最重要的发现，是粒子物理学发展史上的一个重大里程碑。

6、为什么还要深入研究希格斯粒子的性质？

希格斯粒子的发现从某种意义上完备了标准模型，但这并不是人类探索基本粒子的终结，而只是一个新的开端。

发现了希格斯粒子可以解释为什么有些基本粒子具有质量，但现有理论并未预言希格斯粒子和其他基本粒子的质量数值，因此需要深入研究希格斯粒子的性质，以解释相关质量。另一方面，标准模型不是万能和完美的，中微子质量、暗物质、暗能量、宇宙的物质与反物质不对称等问题都无法通过它得到解释。挖掘出标准模型背后的物理规律（又被称为新物理），探索超越标准模型的新粒子和新相互作用，已成为当今国际粒子物理实验研究的最前沿，而对希格斯粒子的深入研究很可能是最好的突破口。

7、研究希格斯粒子为什么要建造超高能正负电子对撞机？

研究物质组成的微观结构需要借助大型对撞机，研究的尺度越小，所需要的对撞机的能量就越大。

希格斯粒子被发现后，科学家们非常希望拥有下一代正负电子对撞机用以大量产生干净希格斯粒子，即“希格斯工厂”。大型强子对撞机LHC上质子对撞过程产生非常多的本底，希格斯粒子事例混杂着大量无用“噪音”，给研究希格斯粒子的性质带来干扰和困难。如果采用正负电子对碰撞，则本底非常低，对希格斯粒子性质更精确的测量将得以开展。

8、什么是“CEPC+SppC”方案?

希格斯粒子被发现后，我国科学家于2012年9月提出建造下一代环形正负电子对撞机（CEPC）并适时改造为超级质子对撞机（SppC）的方案，即“CEPC+SppC”方案，在国际上引起巨大反响。该方案一期建设周长50-70公里、能量250 GeV的环形正负电子对撞机作为希格斯粒子工厂，二期在同一隧道中建造50-70 TeV的质子对撞机，能量比欧洲核子中心正在运行的大型强子对撞机LHC高7倍，通过高能量粒子对撞研究新物理。

大型环形加速器CEPC和SppC的设想。图片来源与版权所有：高能所

建设CEPC的机遇是历史对中国的青睐。如果CEPC能在2021年前后动工，建设周期7-8年，2028年开始运行，几乎可以与国际直线对撞机同步开展实验研究。以CEPC的优势，很有可能在超出标准模型的新物理探索，以及标准模型的精确测量方面抢得先手，取得国际瞩目的具有重大突破意义的物理成果。

50-100TeV能区则是科学家们最为期待的、极可能发现超出标准模型新物理的能区，将在超级质子对撞机SppC上来实现。SppC也是未来新一代加速器设计的终极目的。

该方案的实施将使用和发展世界上最先进的加速器相关技术，如机械、电子、真空、射频微波、低温超导、辐射防护、计算机及网络等技术，可以大大推动相关领域的发展，带动国家整体科技水平的提升。

9、CEPC和SppC的物理目标是什么？

环形正负电子对撞机（CEPC）主要科学目标：利用质心系能量250GeV附近的正负电子对撞产生大量而且干净的希格斯粒子事例，从而精确测量其性质，确认该粒子是否为标准模型预言的希格斯玻色子，并通过它深入研究电弱对称性自发破缺机制和质量起源等基本问题，寻找超出标准模型的新物理的线索。

超级质子-质子对撞机(SppC)的主要科学目标：致力新发现，通过高能质子对撞，寻找超出标准模型的新粒子和新物理现象，理解宇宙中暗物质和暗能量的本质等等。

10、未来超高能对撞机的国际竞争态势是怎样的？

高能量是粒子物理领域发展的最前沿。为了引领粒子物理学的新时代，建造超高能对撞机的竞争已悄然展开，国际上正在酝酿的方案除了中国科学家提出的“环形正负电子对撞机+超级质子对撞机”（CEPC+SppC），还有国际直线对撞机（ILC）、紧凑型直线对撞机（CLIC）、大型正负电子对撞机（LEP3）、极高能大型正负电子对撞机（TLEP）、未来环形对撞机（FCC）、超大型强子对撞机（VLHC）、缪子对撞机（MC）等。

这些设想各有优势，但仔细分析起来，CEPC+SppC在科学目标的丰富性、可拓展性、技术可行性、经济性及性价比等方面具有综合优势，在国际上处于领先地位。

建造CEPC是我国粒子物理界的一个梦想，是中国成为国际高能物理中心的一个机遇，是中国在科学和技术上领先国际的一个重要方面和标志，必将对人类探索未知世界做出非常重要、影响深远的贡献。

我们所存在的世界到底是怎样形成的？人类一旦开始追问，就注定踏上了追梦的征途，也注定不会停下脚步。这个世界，因为未知而充满惊叹，而这也正是她的魅力所在。

中国该不该建 超大对撞机

西安日报 2016年09月08日

中国现在是否该建造超大对撞机？丘成桐、杨振宁等大师级科学家近日相继“发声”论战，成为舆论热点。在这场论战中，普通公众不仅得以一窥科学前沿的最新进展，还借助网络直接参与讨论，这一现象本身就反映出科技的进步。

观点 建设超大对撞机值不值？

这场论战可以大体归纳为两方面。一是，超大对撞机的科学意义究竟有多大？哈佛大学数学系和物理系教授、菲尔兹奖得主丘成桐认为，“五十年来欧美的高能对撞机每一次得出来的重要成果，都能震撼人心”，因此应该继续建设超大对撞机，进一步探索。

而诺贝尔物理学奖得主杨振宁认为，“用超大对撞机来找到超对称粒子，只是一部分高能物理学家的一个猜想”，反对现在就将巨额资金投入其中。

二是，建设超大对撞机在经济上值不值？公开发表反对意见的王孟源曾是哈佛大学物理学博士，后转往金融界发展，他认为超大对撞机需要巨额资金，“必然会影响真科学的资金来源”，挤占其他领域的科研投资，在经济上不划算。

而中科院高能物理研究所所长王贻芳已提出“环形正负电子对撞机”建设方案，并公开预算规划——在该方案的两个阶段，“中国政府应该出资大约300亿元人民币（每年30亿）和700亿元人民币（每年70亿）”，他认为中国有财力承担，且已有成熟的大型科学工程经验，相关投入不会是“无底洞”。

疑问 高能物理研究有益人类生活吗？

杨振宁认为，70年来高能物理的大成就对人类生活没有实在的好处，未来也很难预测这类科研成果是否会给人类生活带来直接的影响和好处。“高能物理的突破之前没有、今后也无法在短中期内给人类生活带来益处，反而会对解决国内的民生问题不利。”杨振宁说道。

王贻芳表示，第一阶段300亿元的投入，至少使我们可以在一些技术方面实现国产化，并领先国际。分别是高性能超导高频腔；高效率、大功率微波功率源；大型低温制冷机以及高速、抗辐照硅探测器、电子线路与芯片。

丘成桐说，值得高兴的是，这一项目在美、欧等国和地区获得了广泛的支持。“美国、欧洲的物理学家都对这个项目表示支持。伴随该项目的推进，中国不但可以成为相关领域的领跑者，还可以借助项目吸引大批世界顶尖科学家到中国交流工作，甚至扎根中国，这将对中国科学发展产生巨大而深远的影响。”

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什么是大型强子对撞机？

2012年以来，世界一些著名物理学家呼吁中国建造大对撞机。但也有不少人反对这一耗资巨大的项目。

到底什么是大型强子对撞机？

很多人对对撞机最感性的认识来自于《三体》。在《三体》中，三体人的智能机器“智子”通过使粒子对撞机的实验出现数据随机化，锁死了人类物理进步的可能性。很多科学家难以在现有理论体系找到一个自洽的结果，最终在压力下自杀。而人类的物理知识无法进步，在与三体人的战争中便不堪一击。

对撞机的原理是通过产生高能量的粒子，对另一个粒子进行轰击，轰击可能产生出新的粒子，也可能会造成两者的相互作用，人们可以了解作用后的粒子状态，并倒推出新粒子的性质。

一位中国科技大学物理专业研究人员告诉记者，此前，最大的大型强子对撞机（LHC）位于日内瓦附近的侏罗山地下。大型强子对撞机直到现在，也没有发现任何超对称粒子存在的迹象。有科学家认为，这可能仍然是LHC的设计局限造成的。或许新的粒子中绝大多数的质量都超出了LHC可探测的能标。那么，一台更大、更强的强子对撞机，应该就能够回答我们的困惑。这也是很多科学家对中国建设新的强子对撞机寄予期待的原因。

中国对撞机是什么水平？

中国科学院大学物理科技学院副院长郑阳恒解释说，爱因斯坦曾以e=mc2的公式揭示物质质量与能量的关系，而对撞机则是将能量转换成物质的过程，其反面则是将物质转化成能量的过程，典型应用就是原子弹、氢弹的爆炸。

“用对撞机把能量加到很高，将动能转化成物质”，他说，对撞机可以产生很高能量，将动能转化成各种各样新奇的粒子。

此前欧洲大型对撞机上发现的希格斯粒子，就因其是让整个宇宙产生质量的原因，而被称作“上帝粒子”，“本来宇宙空无一物，‘上帝粒子’却让物质产生了重量”。

郑阳恒说，目前中科院高能所在北京拥有一台正负电子对撞机，是基于电子及其反粒子，也就是正电子，在对撞机上把两个粒子能量加得比较高，发生碰撞而进行研究。

“是比欧洲大型对撞机更加干净的方式”，他说，欧洲的大型对撞机本体噪声较大，而中国的正负电子对撞机则较为干净，且研究成果已经得到国际认可，并经常与国际物理学家进行交流。

他认为，中国下一步的对撞机的发展方向，是要将能量对撞提高大约100倍，“目前还没有，但是科技实力完全具备”，装备大约需要耗资300亿元人民币。

（本组文图综合新华社、东方IC等）（来源：中国科学院）

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