大型对撞机争辩：高能物理的中国未来
“如果CEPC确定在中国建造的话，很多国外的科学家会来中国，这个流动是必然的，对撞机在哪儿，就意味着做最好科学的潜力在哪儿。”
9月初，著名华裔物理学家、诺贝尔奖获得者杨振宁教授公开发表文章《中国今天不宜建造超大对撞机》，从预算、中国国情、物理目标等角度对这一项目表示反对。中科院高能物理研究所所长王贻芳院士次日即发表文章《中国今天应该建造大型对撞机》，对杨振宁提出的意见逐条反驳，华裔数学家丘成桐也对中国建造大型对撞机表达了支持态度。
实际上，大型对撞机项目在今年6月向国家发改委申请“十三五”项目支持的过程中，已经因为一票之差未能进入下一轮评审。目前，中科院高能物理研究所获得了科技部初步批准的3600万元资金支持，用以对计划发展项目的探测器和加速器部分关键技术进行预制研发。大型对撞机的中国未来，依然无法确定。
针对公众关心的成本预算、科研目标、未来风险等问题，我们采访了中科院高能物理研究所的两位科学家，一位是从70年代中期参与中国高能加速器项目的资深科学家、高能所原副所长张闯研究员，另一位是参加欧洲核子研究中心大型强子对撞机实验、由国家“青年千人计划”引进回国的青年科学家朱宏博副研究员，他们分别是研究对撞机的两个主要构成部分——加速器和探测器的专家。同时我们还采访到北京大学物理学院的马伯强教授，他是多年从事高能物理理论研究的长江特聘教授，我们希望能从更公平和广泛的专业视角对这个问题提供具有参考性的意见。
三联生活周刊：最近对大型对撞机的争论很多，但对于普通人来说，这个问题的讨论门槛很高，能否向普通读者科普一下什么是大型对撞机？
张闯：对撞机是研究物质深层次微观结构最重要的高能物理实验装置，两束粒子在加速器的真空管道中加速，然后对撞，再用探测器搜集碰撞后的产物，就可以获得物质微小尺度上的信息。高能物理实验就是要“破坏”粒子，打碎它，研究它们内部的结构。
加速器和探测器并不神秘。老式的显像管电视机，里面就有电子枪，也可以说是一台小小的加速器。打开电视机，可以看到在显像管上面写着“高压危险，5000伏”，这就是说它可以把电子加到5000电子伏特（eV）的能量。电子被加速后打到屏幕上，屏幕就是一个探测器，电子被扫描、调制之后就成为人们看到的电视画面。不同的是，高能物理研究用的对撞机要把粒子加速到非常高的能量，比如欧洲的大型强子对撞机LHC，将两束相反方向运动的质子分别加速到7TeV（7×1012eV）的超高能量，质心能量（也称为有效作用能量）高达14TeV，也就是14万亿电子伏特，这就需要非常庞大、十分复杂的设备。但如果采用质子打静止靶，要达到LHC相同的有效作用能量，加速器的周长大约要3300公里，差不多要占据整个欧洲大陆，这显然是不现实的。因此，当今建造的高能量前沿的粒子加速器无一不是对撞机。
高能物理研究里有这样一个关系：研究的对象越小，需要用作“探针”的束流能量就越高。大家知道，上个世纪初以来，人类对于物质微观结构的研究，逐步分子、原子、原子核、核子（质子与中子），深入到夸克和轻子的层次。如果做原子层次的研究，大约需要1万电子伏（1×104eV），研究原子核需要100兆电子伏（1×108eV）；研究更小的强子，比如质子、中子等，那么我们需要1吉（1×109eV），10亿电子伏；如果研究强子的内部结构，研究夸克和轻子，我们至少需要1TeV（1×1012eV），也就是1万亿电子伏以上，这就需要对撞机作为研究手段。
三联生活周刊：大型对撞机项目现在受到了一些质疑，在国际上也出现过一些失败的大型对撞机项目，比如美国的SSC半途而废，浪费了30亿美元。当然，高能所王贻芳所长曾分析过，SSC失败的原因主要是政府赤字且与国际空间站争夺经费、美国两党政治斗争、得州与其他地区的区域竞争等社会原因，但我们是否一定要选择大型对撞机作为高能物理研究的主要方向，或者说，大型对撞机在高能物理领域处于什么样的地位？
朱宏博：对撞机目前是高能物理领域的主要研究手段，当然并不唯一。通过宇宙射线、核反应堆产生的中微子等，也可以进行高能物理的实验研究。对撞机的好处是人工可以控制，流强、亮度很高，能量也可以控制，这样的话就可以做更深入的研究。
马伯强：国内高能界的同行们一直都在讨论高能物理朝哪个方向发展，除了这个项目之外也提出过别的项目，比如Z工厂、EIC等，但目前的大型对撞机方案是最被理论界和实验界所看好的。中国在世界高能物理界能取得一席地位，应该说和过去在大型对撞机项目上的成就有很大关系。国内目前最重要的高能物理成就是20世纪80年代建成的北京正负电子对撞机，在30多年的发展中，我们有很大收获，在这个能区当中获得了非常重要的发现，比如τ轻子质量的精确测量，这个对标准模型的检验是有很大意义，另外还有四夸克态的发现，这个在国际同行当中也引起很大关注
三联生活周刊：在王贻芳所长提到的大型对撞机项目规划中，具体的目标分为两步，第一步是环形正负电子对撞机（CEPC），第二步是超级质子-质子对撞机（SPPC），目前关于CEPC的科学目标论述的比较多，但关于SPPC的论述很少，是不是我们对第二步如何研究还没有想清楚？CEPC的科学目标用一句话来归纳就是研究希格斯粒子，希格斯粒子为什么这么重要？
朱宏博：2013年的诺贝尔物理学奖就颁给了弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯，以表彰他们在发展赋予基本粒子以质量的希格斯机制方面所做的贡献。他们的理论工作得到大型强子对撞机（LHC）实验的证实。希格斯粒子非常重要，它提供了一个机制去解释粒子质量的起源，这是人类非常感兴趣的问题。虽然LHC发现了它的存在，但在LHC上它的精度只能测量到10%的量级，人类对于它的了解还远远不够。关于它本身的性质，包括它的质量和其他粒子的耦合强度，以及它和自己的相互作用等最基本问题都还没有得到完全的解答。而且标准模型预言了希格斯粒子，我们搞理论的同事也用其他的模型给出其他的预测，我们必须把精度深入，才能区分哪个模型是正确的。
SPPC可以和CEPC共享隧道，我们想把质子对撞机的可能性放在这儿。但是什么时候去建造质子对撞机，是要等很多条件成熟以后才去考虑的事情。我们不是一下子就跨越到质子对撞机，而是需要等待各种条件的成熟，比如超导材料经过20～30年的发展，技术足够成熟，造价足够低，这才能够为SPPC的建造提供必要条件。我们现在对CEPC-SPPC大的科学目标框架是有的，比较清楚的是CEPC，SPPC要研究的东西太多了，我们还有很多年的时间。有一点确定的是，SPPC的能区非常高，目前世界能量最大的LHC是14TeV，SPPC要做到50TeV甚至100TeV。在能级上有一个明显的拉开，我们会因此有更大的发现新物理的潜力。
马伯强：如果从科学目标上来否定CEPC的建造，我认为是不合适的。高能物理在新的能区当中，即使没有突破性的成就，也有很多令这个领域非常新奇的发现，这在科学界是非常常见的。有很多例子，比如我们平常知道的质子和中子，你可能认为，质子、中子发现了就可以了，剩下没什么事情可做了，但是在质子、中子结构的这个方向上，其实有很多的发现，比如1932年就发现中子有反常磁矩，这非常意外，因为人们都认为质子和中子是点粒子，是基本粒子，那么有反常磁矩的话表明这不是一个基本粒子，这是一个获诺贝尔奖的工作。另外还有20世纪50～60年代的时候，美国的斯坦福大学制造了一个直线加速器，那个加速器的量级现在来看非常低能，但当时是非常高能的。这个加速器就是用高能的电子轰击质子，然后揭示出质子有大小，它不是一个点粒子，它的大小大概是1飞米的量级，它的电荷是有分布范围的，这也是一个获诺贝尔奖的工作。60年代末的时候，美国直线加速器中心的轻子核子深部非弹性散射揭示了质子的部分子结构，在这个实验的基础上，有人做了渐进自由的理论工作，这个实验和这个渐进自由也分别都是获诺贝尔奖级别的。
所有这些就是为了说明，并不是发现了希格斯粒子，我们就没有必要去研究它了。希格斯粒子的很多性质都值得研究，有可能导致很多意外的发现，这些意外的发现都有可能导致科学研究当中突破性的进展，都有可能对物理学产生非常大的影响。而且CEPC是正负电子对撞，它本身有很多优点，它产生的希格斯粒子背景是比较清楚的。LHC是质子和质子对撞，或者质子和原子核对撞，会产生大量粒子，在一片喧闹当中听到了非常小的声音，再把这个非常小的声音放大。正负电子对撞的时候，能做到在某一个能区中是以希格斯为主的，这时信号就非常清楚。
三联生活周刊：目前世界上最大、能量最高的粒子加速器是欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC），它的隧道周长是27公里，建在地下深处100米，中国计划建造的对撞机隧道周长预计50～70公里，甚至可能达到100公里，隧道长度对高能物理研究有何重要意义？如此庞大的一个项目将会建在什么位置？
张闯：对撞机并不都是环形的，也有直线对撞机。在直线对撞机里，两束粒子在相向安装的直线加速器中加速，最后进行对撞，比如日本在考虑建设的ILC（国际直线对撞机）。对直线对撞机而言，粒子在加速管中通过时被加速，只能加速一次，不能重复加速。在环形加速器里，则是粒子每通过一圈就在安装在环里的加速腔中得到一次加速。就拿我们的北京正负电子对撞机来说，粒子在储存环里每秒钟回旋120万圈，也就是一秒钟可以加速120万次，效率要高得多。但环形带来的问题是粒子在里面要拐弯，而相对论性的粒子在拐弯时会沿切线方向发出电磁辐射来，损失能量。这个现象叫作同步辐射。
随着束流能量的提高，隧道为什么越做越大？有两个因素，第一是磁场强度的因素。因为要使粒子束偏转一定的角度，所需要磁场的强度是和能量成正比。如果我们想达到非常高的能量，而磁场又是一定的，那就只能让半径更大。第二是上面提到的同步辐射的因素。特别对于电子加速器，它在偏转的时候发出的同步光要比质子强很多很多倍。半径越小，同步辐射损失的能量越大；要想减小能量损失，就必须加大环形加速器的偏转半径。
项目选址是一个十分复杂的工作，目前还没有确定。对加速器来说，需要地基很稳定，有坚硬的大片岩石，加速器要建在地下上百米深的隧道里，还要考虑水电和交通的基础设施等等，以后能建设国际科学城。现在已经在秦皇岛附近做了初步的地勘。这种大科学项目对当地的经济发展的推动作用是非常大的。
马伯强：高能所这次提出的计划站得角度比较高，胆子也比较大。过去我们比较保守，比如现在高能物理非常重要的北京正负电子对撞机项目，这个对撞机当年建立的时候，事实上已经不是国际上最先进的了，国际上当时的趋势是朝能量越来越高发展，但是当时中国国力不可能一下子就建一个世界上最先进的加速器，所以我们选择了一个特定的能区，即粲物理能区进行发展。这个物理目标在当时也是遭到一些同行非议，这其中就包括杨振宁先生。我的印象是，杨先生说，高能物理发展超出国家当时的发展情况，一些关系国计民生的项目比如生物学的发展，比高能物理的发展更紧迫。但当时李政道、丁肇中先生很支持，最后国家领导人做了决定，还是支持高能所这个项目。当时看这个项目也是有风险的，在那个能量区里，国外同行已经跑马观花似地用机器做过探测，但我们用亮度更高的机器集中在这个能量区里发现了别人没发现的东西。这一次的CEPC提出要做世界上一流的项目，如果这个项目得到批准，中国高能物理界就一下子走到了世界的前列。
三联生活周刊：我们在参观北京正负电子对撞机时了解到，大型对撞机最核心的两方面技术分别来自提供对撞束流的加速器和进行实验研究的探测器。我看王贻芳所长提到说，北京正负电子对撞机是我们下一步发展的很好的基础，要充分利用这个项目红利，把握好未来10年的窗口期。从技术上来说，中国科学家在这两个领域上是否处于世界领先位置？
张闯：从北京正负电子对撞机（BEPC）开始，经过了30多年的发展，我们取得了一些成就，在国际高能物理领域占据了一席之地，特别是在粲物理研究方面居于国际领先地位。2013年美国物理学会评出当年的“十一大”物理学进展，第一项就给了中科院高能所发现的四夸克粒子（日本也有发现报告）。中国现在已经在高能物理领域拥有了一批科学家。我们探测器的技术主要有北京正负电子对撞机上工作的北京谱仪的基础，从总体上已经达到了世界先进水平，其中有多项性能指标是世界上同类装置中最好的。这些探测器的技术可以应用于未来的大型谱仪，当然还要继续提高性能，发展新型探测器技术。
另外，我们需要加强国际合作，目前的北京谱仪国际合作组，有13个国家和地区的50多个科学单位、400多位科学家在这里做实验，中国科学家在其中发挥了主导作用。建设CEPC的加速器的技术我们已经相对比较成熟，相信经过关键技术的预研就能开始建设，而SPPC还有差距，需要未来的发展，特别是在新型的高场超导磁铁方面，毕竟我们想要做的是比LHC能量更高、探测层次更深的大型对撞机项目。
朱宏博：预制研发是预算制定中非常重要一部分。很多部件要经过预研才能给一个可靠预算。美国的大型对撞机项目SSC失败的重要原因之一是预研做得不够充分，在技术不够成熟的情况下仓促上马，造成工期延长、造价上升，从一开始的30多亿美元预算增长到超过100亿美元，逐渐无法控制，最终在已经花了很多钱的情况下被迫停止。我们目前已经拿到了科技部的3600万元的首期预研经费，只有把预研做扎实了，后面才能有一个更可靠的估计。加速器和探测器的预研工作两年前就开始启动，CEPC计划在2020年开始挖隧道，探测器的建造会靠后，有更多时间可以做相关研究。
三联生活周刊：在杨振宁的反对意见中，一个重要的理由是大型对撞机的投入将会是一个无底洞，对它的投入将挤压其他基础科学的研究经费。王贻芳所长在前几天的回应里也反驳了上述观点，他认为中国目前的基础研究经费只占研发经费的5%，而发达国家一般是15%，目前我国的基础研究经费还存在巨大的增长空间，大约每年1000亿元人民币以上，因此不存在挤压其他基础科学经费的问题。但如何来确保CEPC-SPPC不会像美国的SSC一样因为预算严重超支而流产？
张闯：按100公里隧道的对撞机来估计，一期CEPC约在2022～2030年建设，工程造价（不包括土地、“七通一平”等）约400亿元人民币。如果这一步成功，且高场磁铁所需新型超导材料技术成熟，价格下降到合理水平，未来二期SPPC的工程造价估算为1000亿元人民币，建设时间在2040～2050年。隧道长度还没有最后确定，50、70、100公里都有可能，主要是考虑性价比的优化问题，如果是100公里隧道的话，那么一期工程预算约为人民币400亿元，期望国际贡献30%以上，其余70%～80%由中国承担，大约300亿元。
国家发改委对大科学装置预算估计要求非常严格，每一个大型设备都要有预算清单，高能所多年来做的项目，经费上控制都比较好。目前我们经费估算的方法有两种。第一种是推算模式，从国外现有的加速器成本来推算国内条件下的加速器，当然要加减各种因素，比如我们的人员费不包含在经费中。另一个方法是一个部件一个部件累加计算，两种方法的差别在20%以内。
三联生活周刊：杨振宁的反对意见里提到，70年来高能物理的大成就对人类生活没有任何实在好处，而且短中期仍旧不会有。你们如何来评价他的判断？
张闯：建造对撞机的目的是研究物质深层次微观结构及其转化规律，现在确实看不到实际的用处。但未来应当会有用处，就像电子，当初发现的时候也觉得没用，但现在已经离不开电子了。
建造对撞机的过程对科学研究和国民经济有非常大的促进作用。比如之前提到的会造成能量损失的同步辐射效应，已经被证明在其他领域非常有用。同步辐射光比常规的X光机的亮度高千亿倍以上，可以用在生命科学、材料科学、环境科学和凝聚态物理等领域，比如可以用它来研究蛋白质的结构和功能。我国近几年建成的上海光源，就是一台在国际上性能最好的专用同步辐射装置之一。对撞机集中了大量高新技术，包括微波技术、超导高频技术、超导磁铁技术、超高真空技术、机械加工工艺、计算机网络、快速电子学、大功率电源、先进的自动控制技术等。对撞机的建设可以推动相关高科技工业和新兴产业的发展，提高我国的科技实力与整体工业水平，其中有些技术成果可直接转化到与国民经济密切相关的领域。比如对撞机中发展的射频功率源，可应用于电视技术和雷达等。
朱宏博：还有一个尤其重要的是磁铁的研究。现在的欧洲LHC用的磁场是8个特斯拉左右，是地磁强度的10万倍左右，将来SPPC要用到20个特斯拉乃至更高的超导磁铁，这个技术现在全世界也没有。SPPC会带动超导技术发展，可以用来做电机、核磁共振，在人口、环境、工业、农业等领域都有非常广泛的应用。技术会引导应用，很多加速器和探测器的技术，可以在国土安全、航空航天、医疗成像、工业探测上有应用。
而且大科学装置也有相当大的科学教育的价值。我们高能所虽然在每年5月有开放日，但是和CERN（欧洲核子研究中心）比起来要差得远了，我在CERN工作的时候几乎每天都能看到络绎不绝的来参观的小朋友，说实话我很羡慕这些小朋友。
三联生活周刊：大型对撞机如果建造成功，将对中国在世界科学界的地位有什么影响？
张闯：会使中国成为国际高能物理研究的中心。我们的北京正负电子对撞机在它工作的粲物理能区是世界上性能最好的装置，它的主要指标对撞亮度是同一能区的美国康奈尔大学对撞机的亮度的14倍，所以他们的对撞机就终止了工作，美国科学家来北京做实验，参加合作组。中国科学家在BEPC上，加速器和探测器的研制，到实验方案制定、实验数据处理，都是发挥了积极的主导作用。将来的CEPC-SPPC也会是这样。
朱宏博：如果CEPC确定在中国建造的话，很多国外的科学家会来中国，这个流动是必然的，对撞机在哪儿，就意味着做最好科学的潜力在哪儿。
另一方面非常重要的是对中国科学家队伍的培养。这种对基础科学的持续投入一定会收到回报，可以参考日本的例子。积累一定时间，从量变到质变，会产生一大批顶级的科学成果，也会产生一大批最优秀的科学家。公众关心的诺奖也是水到渠成的，后面自然会有，当然那并不是我们一开始的目的，只是副产物罢了。
记者 吴丽玮 实习记者 刘周岩