環形正負電子對撞機和超級質子對撞機——中國正迎來引領世界科技...

2020-11-25 百家號

「如果中國真的跑到了前頭,這將會改變世界科學的格局」

——Nigel Lockyer(美國費米國家實驗室主任)

半個多世紀以來,粒子物理學的發展是標準模型建立和驗證的一首壯麗史詩。隨著被稱為「上帝粒子」Higgs粒子2012年在大型強子對撞機(LHC)的發現,人們在實驗室裡找到了標準模型預言的所有粒子:

△粒子標準模型

這項成果標誌著「標準模型」的完成,也預示著新時代的開始。但是由於一系列理論上的困難,理論物理學家普遍認為,標準模型只是一個更加基礎的理論的低能有效理論。因此,挖掘出標準模型背後的物理定律(又被稱為新物理),就成為粒子物理乃至整個物理學的核心問題,也是新一代對撞機設計的終極目的。

歐洲已有LHC(大型強子對撞機),日本正在積極承辦ILC(國際直線加速器),美國已有不少大型加速器(費米實驗室,斯坦福直線加速器等等)。而中國只有即將退役的BEPC(北京正負電子對撞機),且能量只有3~5GeV。

△歐洲27公裡長的大型強子對撞機

近六十年各發達國家投入巨資,不斷建造各種的大型加速器,使人類對物質結構的認識有了巨大的發展,並推動了交叉科學研究的發展。諾貝爾物理學獎方面30%與加速器直接相關,諾貝爾化學獎方面多個獎項也得益於加速器設施。加速器物理與技術本身也得到了飛速發展,並在醫療、工業、科研、安全檢查等方面有了大量的應用。相關的探測器、機械、電子、微波、低溫超導、計算機及網絡等技術也得到巨大發展。例如歐洲核子中心為解決大型正負電子對撞機上海量高能物理數據的傳輸問題,發明了www網絡技術,從根本上改變了人類生活。

「中國要強,中國人民生活要好,必須有強大科技。」作為一個正在崛起的大國,中國迫切需要建成一個高能物理研究中心,積累科學技術和人才,到21世紀中葉佔據世界科學高地。目前我國已經提出的新一代加速器「CEPC-SPPC」這是一個長達50–70公裡的環形加速器!

△CEPC的理論設計

如它的名字所示,CEPC-SPPC有兩個工作階段,第一階段用做環形正負電子對撞機(CEPC),第二階段則是將其升級為超級質子對撞機(SPPC)。正負電子對撞機有本底低且初態精確可調的特點,而CEPC的質心能量可以輕鬆達到Higgs粒子的產生閾值(~240 GeV)進而產生大量的乾淨Higgs粒子(Higgs工廠),利用CEPC,人們可以對Higgs粒子以及其他的標準模型粒子(比如Z粒子)進行精確測量,從而搜索出新物理的蛛絲馬跡乃至預言新物理能標。另一方面,超級質子對撞機能夠達到的質心能量比目前實驗上的最高水平大接近一個量級,可以對高達50或更高的 TeV的能區進行直接搜索。在尋找新物理方面,CEPC-SPPC將能夠發揮不可替代的作用。

中國正面臨引領世界科技發展的良機。這一機遇面臨激烈的國際競爭,時間窗口不到十年。我國在高能物理領域的主要競爭對手包括日本和歐洲。目前日本忙於國際直線對撞機(ILC),暫時不會和我們競爭。歐洲核子中心(CERN)已開始組織對未來環形對撞機的設計研究,但它2030年之前將忙於LHC運行及其升級。因此,如果不能在2025年之前啟動項目,我們將錯失良機。以後何時再有這樣的機會,恐怕誰也無法預料。

基礎科學的進步、天宮二號、墨子號、FAST超級天眼已經為我們漸漸勾勒出了中國科技崛起的路線圖,正是這些科學上的進步讓我們在人類社會的金字塔當中佔據更高的層級,更為中國在大國博弈的過程中佔據優勢地位提供強大支撐,而這些,於我們每個人的影響,便是為我們提供安定、和諧、有序的社會環境,讓每個社會成員都能有尊嚴得活著。So,中國加油!

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