主講人：高傑
大家好！
歡迎來到「小粒子 大宇宙」系列課程。這裡是中國科學院高能物理研究所。我是高傑。
今天我們講的這一堂課，題目是《粒子對撞機歷史回顧與展望》。
大家知道宇宙的構成有三大部分，它是由物質、暗物質和暗能量構成。其中物質大約佔百分之五，暗物質佔百分之二十幾，還有接近百分之七十是暗能量。
那麼物質的構成，大家都知道，分子，比如像水分子，它是由氫和氧構成的。那麼氫和氧又是什麼呢？我們管它叫元素。或者說，大家非常熟悉的門捷列夫化學元素表，表裡面就是分子、原子的一個基本的構成。原子是由原子核和核外電子構成的，原子核是原子的很小的一個內部結構，外層有外部電子。原子核的結構又是由基本粒子構成的，比如像質子、中子，都是由夸克構成的。
目前在物質深層，或者說物質結構的深層次研究當中，最重要的是什麼呢？我們要研究的就是構成物質深層結構的、也就是我們從科學角度上講的「標準模型」。它有點像門捷列夫表，門捷列夫表是在原子層面的，標準模型是在基本粒子層面的。標準模型當中有個希格斯粒子。希格斯粒子是在2012年7月4號發現的，我們自從那時候就進入了希格斯時代。也就是說希格斯粒子使人類找到了一個通向未知世界、探索未知世界的一個最為重要的新窗口。
人類在探索宇宙奧秘的過程當中努力是不停息的，探索宇宙奧秘是全世界的科學家們不懈的努力。
從這張圖大家能夠看到，我們有很多的知名科學家，從愛因斯坦到楊振寧、李政道、丁肇中，最後到希格斯——希格斯粒子的理論的創始人。在整個過程當中是一代接著一代的不懈的努力。但是在這個過程當中，科學的理論必須經過實驗的檢驗。在我們今天討論的課程當中，粒子物理實驗需要通過什麼來完成呢？需要通過加速器和對撞機。待會我會給大家仔細地來介紹。
什麼是加速器？什麼是對撞機？舉兩個例子。比如說在70年代，1974年發現的J/ψ粒子，就是在布魯克海文的質子同步加速器和在美國斯坦福的SPEAR正負電子對撞機上發現的。還有剛才我提到的2012年的7月在歐洲核子中心發現的希格斯粒子，我們簡稱叫「上帝粒子」，是在大型強子對撞機（LHC）上面發現的。科學的理論的發現都離不開檢驗，而檢驗也離不開科學設備、科學實驗。科學設備、科學實驗除了有加速器，還有不需要加速器的一些其他的科學手段，比如說我國的大亞灣中微子實驗，王貽芳院士帶隊的中微子實驗發現的θ₁₃不等於0，精確測出θ₁₃的數值。這在對於物質的基本的理論上面是有實驗貢獻的。
因帶領團隊首次探測到中微子的第三種振蕩模式，王貽芳院士獲得2019年未來科學大獎
那麼什麼是加速器呢？大家非常好奇。實際上簡單地說，就是帶電粒子通過電場增加能量，通過具有能量的帶電粒子進行科學研究，比如說去打靶或者進行對撞。比如說，比較容易理解的就是我們家庭的電視機，它就是一個最簡單的直線加速器。它的能量是什麼呢？你加的電壓叫伏特，電子經過電視機的加速就會得到一定的能量，我們用一個能量單位就叫做電子伏特。電場是用來加速帶電粒子的，也就是給它提供能量，速度增加。那麼它拐彎、改變運動方向怎麼辦？通過磁場。比如說我們要做一個圓形的加速器，你就會用磁場來偏轉，使它繞一圈再回來。所以電場是加速，磁場是偏轉。磁場並不提供能量，它只是改變運動方向。
加速器可以粗略地分成兩類：一類叫做直線加速器，一類是環形加速器。直線加速器就是粒子走直線，環形加速器就是粒子通過磁場一圈一圈的在裡面進行運轉。但是環形加速器當中，因為它也需要提供能量，所以裡面也是要加電場的。
有了加速器，我要使用它進行科學研究，那麼就要用帶電粒子去打原子核或者對撞。大家知道愛因斯坦的質能公式，也就是能量跟質量是可以相互轉換的。舉個例子，正負電子對撞機中，正負電子在對撞的那一時刻，電子所帶的能量就轉化成一個純的能量，粒子性消失掉，緊接著再通過這個能量產生新的粒子。但是這個粒子是人眼看不見的，因此我們會需要用探測器，相當於代替人眼來看到對撞之後粒子的產生的種類、多少、特性。
對撞機也分兩類：一個是直線對撞機，粒子相向運動，在一個對撞點對撞，那地方有個探測器，用來研究它的物理現象；還有環形對撞機，正負電子是相對而行，不停地一圈一圈運轉，再進行對撞。
直線對撞機
環形對撞機
全世界有不同種類的對撞機和加速器。我這張圖給大家非常簡要的展示一下，在不同的地方，比如說像在美國、在瑞士、在德國、在日本、在義大利、在法國、在中國，都有過這樣的對撞機。
加速器它既是物理，也是一門科學，同時加速器還是技術與工程，這是粒子加速器的一個非常重要的特點。
粒子對撞機的這個想法首次提出是在1943年的時候，由一位挪威的科學家叫Rolf Videröe提出的。他把他這個對撞的想法放在一個專利裡面，在當時1943年了解這個專利的人並不是很多。
1943挪威科學家Rolf Videröe將粒子對撞機的想法發表在一個專利中
在五幾年的時候人類才開始對撞機的探索。世界上第一臺正負電子對撞機，名字叫AdA，是一位義大利科學家叫Touschek提出來的，在1961年在義大利的Frascati建成。大家看這是一個很小的機器。之後在1962年這個機器被運到了法國的Orsay，在LAL實驗室第一次證明了正負電子對撞機是可行的。
那麼世界上最大的正負電子對撞機和質子對撞機是哪些呢？正負電子對撞機，世界最大的叫做LEP，在日內瓦的歐洲核子中心。那麼世界上最大的質子質子對撞機LHC在哪？還是在歐洲核子中心，就在LEP的隧道裡面，同樣周長是27公裡。LEP跟LHC都在一個隧道裡，只不過把LEP拆掉了，後來在2000年又開始安裝大型強子對撞機（LHC）。正是在大型強子對撞機上，2012年7月4號發現了希格斯粒子。
世界上目前還有其他的還沒有建成的、未來的對撞機計劃，比如說歐洲核子中心（CERN），它也有一個計劃，是再做一個周長100公裡的環形對撞機。日本也希望在日本的巖手縣承建國際直線對撞機，它的能量也是起步是希格斯粒子的能量，長度是21公裡左右，它是直線對撞機。
那麼我們中國的正負電子對撞機歷史是如何呢？我們是在1984年開始建造中國的第一臺高能物理的正負電子對撞機。當年鄧小平先生代表黨中央到高能所來奠基。2009年北京正負電子對撞機完成升級改造。這是一個改進型的對撞機，在同一個隧道裡面，叫BEPCII，一直運行到現在。這個機器是一機兩用，既可做高能物理，同時又可以做物理實驗。在2011年謝家麟院士獲得國家最高科學技術獎，是高能人的代表。BEPCII是個雙環結構的高亮度的正負電子對撞機。它裡面有兩個環，有探測器，又同時可以進行同步輻射研究。
那麼中國下一代對撞機的計劃是怎麼樣呢？這就不得不提到2012年7月4號發現的希格斯粒子。剛才從一開始我就講到這個是人類在物質深層研究的珠穆朗瑪峰，這是皇冠上的明珠，這是科學的前沿，這是最重要的一個研究的題目。所以中國科學家在2012年的9月就提出要在中國建造下一代的環形正負電子對撞機來研究希格斯粒子。那時中國的科學家就動員起來，自2012年的9月到現在不斷的在往前推進。環形正負電子對撞機我們管它叫CEPC。那麼在CEPC運行之後，我們還期待著，就像CERN一樣，在同樣一個隧道將來還可以有更大的發展潛力，還可以考慮在隧道當中安裝一臺超級質子質子對撞機，叫做SppC。下一代的環形正負電子對撞機，正負電子是由一個直線的注入器（大概一公裡多）注入到一個增強器當中，從增強器再注入到對撞環，再進行對撞。
大家從這個圖上可以看見，增強器是掛在房頂上的，地下的環是對撞環，整個周長是100公裡，這是人類在地球上所規劃的、所要建設的最大的科學實驗裝置。
那麼為什麼對撞機會越做越大呢？剛才我講，第一臺正負電子對撞機的直徑就一點幾米。現在我們規劃的有30多公裡了。為什麼會越做越大？那是因為我們要探索的物質最深層的尺寸越來越小。大家知道，物質粒子，實際上除了有粒子性還有波動性。也就是說你要想看清楚小的物體，你就需要一種「光線」去看到這麼小，它的波長必須得跟你所看到的東西的波長尺寸在一個量級上。
我在這兒寫了個公式：物質波，波長λ=h/p。一個粒子在微觀也是具有波動性的。它的波長跟什麼有關呢？跟普朗克常數除以它的動量有關。也就是說，如果探測的物質深層越深，看的東西越小，波長要越小，能量就必須越大。你要看的越深，能量就越來越高，那麼對撞機的能量高這是必然需求。
現在有兩種加速器，一種是電子的，比如就說直線加速器，加速梯度是由技術決定的。也即每米有多少能量，是由技術決定的，能量越高它就越來越長。比如國際直線對撞機，它就需要多長呢？21公裡。以前有沒有這麼長的對撞機和直線加速器呢？沒有。但是這是一個需求，因為是能量決定的，技術在那擺著。
環形的分兩種，一種是電子的。如果說我用一個很強的磁場，把迴旋半徑放到很小，那就不用100公裡了。可是大家知道帶電粒子，特別像很輕的帶電粒子，像電子，它會輻射出能量。它輻射出來的功率跟它能量的四次方成正比。也就是說像狗熊掰棒子一樣，一邊加速它一邊輻射能量，最後能量很難增加，同時要耗很大的電能。因此，為了增加能量要怎麼辦呢？只能把電子的彎轉半徑變大。彎轉半徑變大，對撞機的周長就長了，因此CEPC是100公裡。
對於質子來說，它比電子重1800多倍，那麼它的同步輻射相對電子要輕。但是質子也需要得到很高的能量，這時候它受什麼因素影響呢？磁場的強度。磁場的強度由技術決定，不能太強，因此能量走高的話，自然周長也要變長。這就是為什麼我們說SppC也需要100公裡。
最後我們談到未來CEPC到底放在什麼地方？這個不是一個確定的。它需要一個很好的堅硬的巖石。CEPC要放在地下的一個花崗巖當中，它的隧道寬6米、周長100公裡。我們目前在全國選了一些地方。
習主席對科技界提出新的希望和新的要求。2013年的7月17日習主席來視察高能所，提出了「四個率先」，對中國的科技界提出了新的希望。中國的科學家也會按照習主席對科技界提出的新希望和新要求，做好我們的工作、站好我們的崗，把中國的高能物理、中國的加速器做到世界的一流 、世界的前沿，來對人類的科學做出更大的貢獻。
謝謝大家！