大型对撞机的中国选择

阮曼奇

1972年，我国政府和科学界面临着一个重大选择：是否建设大型对撞机。对撞机是现代物理研究的基础设备，是研究物质基础结构和相互作用的探针。二战之后，近一半的诺贝尔物理学奖颁发给了与对撞机相关的研究成果。但大型对撞机需要各种高新技术的支持，耗资巨大，建设和操作难度极高。经审慎讨论，在中央政府和小平同志的全力支持下，北京正负电子对撞机（以下简称BEPC）在1984年开建，并于1988年10月实现首次对撞，迄今已有32年。此后，BEPC取得了一系列国际领先的优秀成果，获得了包括国家科技进步特等奖在内的一系列大奖。

BEPC的建设过程分为2个阶段：1984-2003年的BEPC-I，以及其后运行至今的BEPC-Ⅱ。BEPC-I解决了我国缺少高能对撞机的问题，是其能区内性能最好的对撞机。它给出了包括R值测量、Tau轻子质量测量、新强子态探测在内的一系列重要成果，确立了当时有巨大疑问的轻子普适性，在国际高能物理学界产生了巨大影响，是粒子物理标准模型的关键验证之一。亮度升级后，BEPC-Ⅱ在国际竞争中再次成为其能区内性能最好的对撞机，其代表性成果包括了四夸克态的发现、XYZ粒子族谱研究等。秉承一机两用的理念，BEPC在进行高能物理前沿探索的同时，也奠定了我国同步辐射光源的基础，为凝聚态物理、材料、生物、环境、地质等方面的研究提供了条件和保障。2003年，非典型肺炎（SARS）疫情爆发时，BEPC光源首次测定了该病毒的蛋白质结构，为疫情的控制、应对药物的研发提供了关键信息。

由于当时经济和技术条件的限制，BEPC并非那个年代最先进的对撞机，其能量只有当时国际最高能量的1/20，周长只有1/100。但作为我国高能物理实验研究的起点，BEPC不仅取得了大量国际领先的物理成果，而且也奠定了我国在相关技术和同步辐射光源方面的基础。BEPC首次将互联网、万维网和网格计算引进国内，也在技术创新、成果转化方面取得了一系列骄人成绩，同时为我国高能物理学界和产业界培养了大批人才。近年来，我国科学家发现的四夸克态、五夸克态、新的中微子振荡模式等成果屡屡在国际上被评为各种年度十大物理学进展，获颁“基础物理突破奖”等各种重大国际奖项。BEPC所在的中国科学院高能物理所，也成长为与费米、SLAC、KEK、DESY等实验室比肩的全球著名高能物理实验室。

时光荏苒，40年后的今天，凭借希格斯（以下简称Higgs）粒子发现的历史机遇，我国科学家提出建设环形正负电子对撞机（CEPC）的倡议。与BEPC不同，CEPC是国际领先的对撞机，它将以超过欧洲大型强子对撞机（LHC）10～100倍的精度对Higgs粒子性质等关键物理量进行测量，搜寻新物理的能标将超过LHC的10倍以上。同时，它还可以被升级为能量超过LHC一个量级的质子对撞机。CEPC瞄准的是目前粒子物理领域最前沿、最核心的关键课题。一旦建成，它将成为全球高能物理研究的中心，必将吸引全世界最优秀的一批科学家和工程师来华工作，同时作为龙头项目带动一系列国际最先进的核心技术的发展。与当年BEPC的追赶和填补空白不同，CEPC将是引领，其意义和作用将大大超过BEPC。时间，让我们走到了一个新的十字路口。

CEPC的科学目标

CEPC的核心物理目标是实现Higgs粒子的精确测量。同时，CEPC可精确检验“标准模型”，测量电弱物理和味物理，以及寻找新物理。

2012年，发现Higgs粒子是标准模型的巨大成功，至此，“标准模型”预言的粒子全部被找到，但标准模型很难被认为是一个终极理论。“标准模型”中存在大量自由参数，其内部存在一系列的理论疑难，比如真空稳定性问题、自然性问题等。同时，在对撞机实验之外，尚有大量“标准模型”无法解释的谜团，比如暗物质、暗能量、暴胀和中微子震荡等。为了解决“标准模型”的疑难谜团，理论物理学家深入研究了超越标准模型的基础理论，提出了各种新物理模型。

左图：BEPC 测得的Tau 粒子质量结果，该结果被高能物理粒子数据小组认定为50年来最重要的实验测量之一。右图：利用BEPC 同步辐射光源测定的SARS 病毒蛋白质的结构。

1984 年10 月，小平同志为BEPC 项目建设奠基。

BEPC 獲得了包括国家科技进步特等奖（1990年，左图）在内的一系列荣誉。

Higgs粒子同“标准模型”中的种种疑难和谜团息息相关，其精确测量对发掘“标准模型”背后的物理原理至关重要。Higgs粒子是“标准模型”粒子谱中唯一的标量粒子，在其质量被测定的情况下，“标准模型”准确预言了Higgs粒子的所有性质。同时，在理论物理学家倡议的种种新物理模型中，Higgs粒子的性质往往和标准模型预言并不一致，甚至有显著差异。因此，Higgs粒子的发现为人类的进一步探索提供了绝佳的探针。

为了实现Higgs粒子的精确测量，需要一个Higgs粒子工厂。欧洲核子中心CERN的大型强子对撞机（以下简称LHC）本身是强有力的Higgs粒子工厂。时至今日，在LHC上已产生了数以千万计的Higgs粒子。LHC不仅发现了Higgs粒子，而且还对它的物理性质进行了测量，确认其性质同“标准模型”预言高度吻合。然而，LHC实验上有巨大的物理本底，平均每100亿次的质子对撞事例中才能产生一个Higgs粒子，这使得在LHC对Higgs粒子进行精确测量非常困难，精度受到很大限制。现有的研究表明，在LHC上，Higgs粒子性质测量的极限精度大约在10%量级。

CEPC 对撞机的基线设计：对撞机由直线加速器（Linac）、增强器（Booster）以及正负电子的储存环组成。CEPC 對撞机采用全局部双环设计。

CEPC 探测器的基线设计：研径向方向、从内到外探测器由硅像素顶点探测器、时间投影室、电磁及强子量能器、主磁铁线圈和轭铁以及Muon子探测组成。

而CEPC是主环周长为100千米的高精度Higgs粒子工厂。它预期将在240GeV的质心能量下，通过2个对撞点产生100万个Higgs粒子事例。由于正负电子不参与强相互作用，CEPC上的对撞环境比LHC上纯净得多，平均每1000个正负电子对撞事例中就能产生一个Higgs粒子。同时，CEPC上精确可知的对撞能量信息，也为Higgs粒子精确测量创造了有利条件。模拟分析表明，CEPC可将Higgs粒子的性质测量到0.1%～1%水平的相对精确度，超出LHC的极限精度达一个量级。

除了能够精确测量Higgs粒子，CEPC还能产生大约1亿W粒子和数千亿Z粒子，在粒子物理探索的其他前沿上（电弱测量、味物理、高能量前沿等），为我们带来海量的宝贵数据。因此，国内外的高能物理学界，均对CEPC抱有高度支持的态度。自倡议提出以来，国内外的高能物理学界积极参与CEPC技术预研，为CEPC项目的技术储备和最终建设打下了良好的基础。

中国建设CEPC项目的条件

建设CEPC项目，毫无疑问需要足够的技术、人才以及经费支持。

在技术方面，我国高能物理学界拥有30多年正负电子对撞机设计、建造以及操作的实际经验。同时，我国的研究人员多年在一线探索了各种新型加速器、探测器技术，这些经验和积累确保了CEPC项目研究工作的顺利进行。2018年，CEPC对撞机的概念设计报告完成。该报告在国际评审中得到世界一流专家的高度认可，全体评审委员一致认为该工作证实了项目的可行性，并可以进入技术设计报告阶段（TDR）研究，CEPC各子系统关键技术也均取得显著进展以及部分技术突破。

在人才方面，我国高能物理学界目前已拥有大约1000名研究人员以及大学教授。这支队伍完成了一系列国际领先的重要成果，并在LHC合作中发挥着显著作用。CEPC项目预研在国内已经锻炼出了一支年轻的人才队伍，这支队伍作为主力完成了目前的预研工作。与此同时，CEPC项目的预研已经吸引了大批顶级的国际专家进行合作。可以预见，一旦CEPC项目正式立项，我国将通过自主培养和国际合作方式，吸引大批优秀人才。

在经费方面，CEPC项目的造价目前预估是360亿元，以其20年的使用寿命计算，投资强度尚未超过许多基础科学的明星领域，甚至未达到平均水平。当年建造BEPC项目时，业界也曾有类似的担心，但是事实证明其40年的科学寿命绝对物有所值，因此在考虑此类问题时一定要有几十年的前瞻性。

正负电子Higgs工厂的国际合作与竞争

基于正负电子对撞机的Higgs工厂可以在大型强子对撞机物理测量的基础上，大大提升人们对Higgs粒子性质的认识，并精确测量Higgs粒子性质和其他可观测量的粒子，探索包括质量起源、物质起源、暗物质本质在内的一系列重要课题。可以说，正负电子Higgs工厂是大型强子对撞机之后的粒子物理实验研究中具有战略意义的大型对撞机。谁能建设下一代的正负电子Higgs工厂，谁就能够占据未来粒子物理研究的国际领先地位，进而带动整个领域的发展。

这一特性得到了国际粒子物理学界的普遍共识。目前，除了CEPC，这些正负电子Higgs工厂还包括了可能被建于日本的国际直线对撞机（ILC）、欧洲核子中心倡议建设的紧致直线对撞机（CLIC），以及未来环形对撞机中的正负电子对撞机阶段（FCC-ee）。国际高能物理学界围绕这些正负电子Higgs工厂进行了大量研究，其中ILC于2013年发布了其技术设计报告，CLIC、CEPC和FCC-ee分别于2013年、2018年和2019年发布了概念设计报告。这4个正负电子Higgs工厂，包括了2个直线对撞机（ILC和CLIC）和2个环形对撞机（CEPC和FCC-ee）。其中，直线对撞机具有较易升级质心能量、束流可极化的优势。而环形对撞机则在低能区（91-240GeV）拥有亮度上的明显优势，同时具有可升级为质心能量达100TeV量级的质子对撞机的巨大潜力。

2020年6月19日，欧洲核子中心理事会（CERN Council）全票通过了《2020欧洲粒子物理学战略》。这份战略确定了未来欧洲粒子物理研究的优先事项，对全球高能物理的发展具有重要而深远的影响。这份战略中最引人注目的内容之一是“基于正负电子对撞机的Higgs工厂是优先级最高的未来对撞机项目，并期望建设能量尽可能高的质子对撞机”。围绕这一判断和愿景，《2020欧洲粒子物理学战略》强调了高场磁体、高温超导体、等离子体尾场加速等关键技术，并讨论了将来可能的国际合作框架。需要指出的是，我国在2012年确定的CEPC-SPPC项目路线图与《2020欧洲粒子物理学战略》的构想高度吻合，这也从侧面反映了这一项目具有巨大的科学价值，以及我国高能物理学界判断的前瞻性。毫无疑问，围绕这一基础物理研究的战略高地，全球高能物理学界和世界各国将展开一系列的竞争和合作。而科学和历史，将在这种合力下稳步向前。

CEPC 关键设备、高场磁铁制造及测试。左图：超导线材;中图：超导磁体核心;右图：测试中的超导磁体。

40年前，在我国经济千疮百孔、国内人才和资源稀缺的情况下，我国科学界在中央政府的支持下，抓住了这一历史性的机遇，完成了BEPC项目的论证、设计、预研以及建设。这使得我国的高能物理实验研究从零起步，并实现了跨越式发展，将关键的科学和技术领域提前部署了几十年，为后来的一些重大科学设施建设和重大科学成果产出赢得了时间，奠定了基础。

如今，Higgs粒子的发现是一个全新的历史性机遇，国际高能物理学界正在酝酿新的重大设施，倡导建造FCC、CLIC、ILC在内的一系列未来大型对撞机，CEPC在其中具有显著的竞争优势。一旦建成，它将成为世界高能物理实验研究的旗舰，我国将在这一重要竞争中占据领袖地位，其带动的技术发展将大大促进我国的技术积累和产业升级。抓住这一机遇，是我国科学界的历史使命。