【墨子沙龙】第八期 王贻芳院士中微子与我国粒子物理研究（下）

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?width=500&height=375&auto=0&vid=t1414jzikod

北京正负对撞机

北京正负电对撞机是中国高能物理的起始，从80年代1984年开始建设，1989年完成。现在回过头来看，仍然是当年我们能够有的一个最好的选择，我们技术路线和方案如果选对了可以走几十年，1984年建成以后，一直运行到2004年，从2004年到2009年做了改造，北京正负电子对撞机二期，可以看到我们北京正负电子对撞机一出手就是当时世界上最好的，我们北京正负对撞机二期，可以一直维持在这个领域，一直能够做到世界最好。

这里核心就是自己设计的最新型的双环对撞机，过去电子和负电子走在同一个环里面，它的亮度或者它的指标会更差一点，如果分开来电子和正电子各走各的，撞起来几率会比较高，事例数比较高，最后会比较好。

北京正负电对撞机二期跟一期相比，它的亮度提高了100倍，也就是说现在一年相当于过去的100年，整个性能提高非常大。

这里也有自己研制的探测器，可以看到探测器跟国际上其他实验相比，基本上在同样的水平，甚至有些还可以做到国际最好的，也就是说我们在探测器和加速器各个方面，都已经做到了世界的前列。科学研究方面我们有大量的科学成果，BESIII实验也是一个大型的国际合作，这里面有13个国家的58个成员单位400多个研究人员参加，国外参加差不多100多人，11个单位。

那么这里面我们最重要的成果是在2013年看到了一个新型的粒子，叫ZC3900，我们知道粒子强子都由夸克构成，现在看到的这个粒子都是两个夸克或者三个夸克，但是这个ZC3900是一个非常特殊的粒子，有4个夸克。我们第一次看到有4个夸克新型的一个强子，这在国际上引起很大的反响，美国物理杂志2013年国际物理学11项重要成果的评选，这个成果排列第一。

中国高能物理的发展

至于讨论在北京正负电对撞机之后中国高能物理的发展问题，我们从2005年就开始讨论，一直2012年才有了这有的设想和结论，因为2012年Higgs粒子的发现，使我们看到了建设一个环型电子正负电子对撞机，在250个GeV，刚好在Higgs粒子质量的地方，是一个非常理想的选择。

这个方案不光可以做Higgs粒子的研究，我们下面会介绍的，同时使我们有未来发展的可能性，因为你建的Higgs工厂，它的隧道差不多得有50到100公里的话，将来它可以发展成质子对撞、电子质子对撞、重力质子对撞，有很多很多种可能性。所以你做一件事情不会只是一次性的，或者他的寿命只有5到10年，他的寿命有50年以上，所以你开始做这个事情，你应该考虑到有没有30年到50年的寿命，如果没有可以想一想，如果有这件事情应该是值得做事情。

细说来它的科学目标一个是正负电子的对撞，可以产生100万个Higgs粒子，也产生了10的10次方Z粒子，同时也有大量的其他的粒子，这个可以让我们做精确的Higgs粒子质量的性质研究。如果是质子的对撞，第二步可以直接寻找超出标准模型的新物理，精确测量和寻找新物理是两个非常互补的计划。

同时，CEPC正负对撞机也是世界上最好的高能同步辐射光源。可以看到横坐标是能量，纵坐标是亮度，世界上现有的同步辐射光源，这个是所谓的简单的二极铁，如果用波荡器或者稍微复杂一点的磁铁做的话，你可以看到能量和亮度，和以前的这些所谓光源没法比，它超出太多了，无论是能量还是什么，所以它在核物理、国防、材料等方面有非常广泛的应用。

我们在2015年就完成了一个初步设计报告，差不多是有3本，一本物理跟探测器，一本加速器，还有一本土建，一共差不多1000多页，全世界有500多位科学家参加。这个报告涵盖了各个方面，比如说科学目标，我们刚才前面已经说过了一些，Higgs粒子是非常特殊的粒子，是唯一一个自旋为零的基本粒子，所以我们很自然的要怀疑是不是一个基本粒子。

自旋为零的粒子，我们在固体物理当中看到很多，比如说库伯对（Cooper Pair）；在粒子物理当中可以看到π0，π正负，都是两个夸克构成的自旋为零的粒子（这些例子中的粒子都不是基本粒子）。

Higgs粒子是不是基本粒子我们不知道，到目前为止所有的基本粒子当中，只有Higgs是自旋为零，其他都不是，所以这是非常奇怪的新的粒子。第二，Higgs粒子是唯一的一个参加非规范相互作用的粒子，所有的其他粒子参加的是规范相互作用，所以它有自耦合，有汤川耦合，完全新的相互作用形式，我们完全不知道它到底是怎么样的，所以它是不是有新的性质我们不知道。

另外刚才前面也解释过，他跟超出标准模型的新物理有关，比如说跟暗物质发生相互作用，本身的质量来源无法解释，自耦合的形式、影响宇宙的演化，包括真空的形式等，所以精确测量Higgs粒子性质，实际是例子物理研究当中不可超越的一个必然步骤，肯定是要有人做的，我们不做，别人也会做，这是粒子物理当中非常重要的方面。

如果我们有10的6次方，100万个Higgs例子，我们测量的精度会比LHC好10倍以上，2035年LHC的精度跟我们Higgs的工长相比差了10倍的精度，这个精度使我们对新物理的能标差一个两极左右，跟LHC相比的话。

同时CEPC通过间接测量Higgs的自耦合，理解宇宙当中Higgs场的形式，理解宇宙当中物质和反物质当中不对称的重要意义，我们现在知道Higgs场是这个地方，到底Higgs场是哪个形式不知道，红线还是绿线我们也不知道哪个是对的，这两个对宇宙演化有及其重要的意义，所以在CEPC上面，通过自耦合测量，差不多精度有20%到35%之间，这个自耦合相差1%，我们是可以看到的，Higgs和Z的耦合偏差10%左右，我们可以测量到精度0.2%，所以可以看到CEPC的精度在这儿，如果有偏差的话，或者是差在这个地方，我们可以把这个问题搞清楚。

CEPC也可以精确测量标准模型，每年有10的10次方的微粒子，在90个GeV的地方，这是我们现在的精度，将来我们可以发展成为这样的精度，这个精度对寻找新物理有非常重要的意义。同时我们也可以直接寻找新物理。

我们的优势

大家可能会问，你跟国际上其他的装置比到底怎么样？我们从科学意义、可扩展性、技术成熟度、经济性、时间进度等做了一个比较，这是CEPC的，它的科学意义我们打了四颗星，未来的质子对撞机打了五颗星，可扩展性打了四颗星，经济性和和时间进度都是5颗星，SppC当然它以后就不再可扩展了，所以我们打了一粒星的，技术上相对不成熟两颗星，经济性当然比较贵，打了三颗星。

所以跟国际直线对撞机相比，它最大的优点是可扩展性。CEPC跟ILC都是电子对撞机，都是做Higgs物理，但是他们最大的差别，第一就是CEPC可扩展成SPPC，ILC不可以扩展，就是它一锤子买卖，技术成熟度相对还要差一点，经济性也要差一些，时间进度差不多，这是所谓的竞争优势。跟欧洲核子中心的对撞机相比基本上差不多，但是唯一一个时间进度有绝大的不确定性，因为它到2035年才能完成LHC，才能考虑下一步。

有人说是不是可以用μ子对撞机？μ子对撞机最大的问题是，它的技术远远没有成熟，经济性有问号，时间进度更有问题。新加速原理所有地方大部分都是有问号的，因为都不成熟，可能还需要30到50年时间去发展技术。

这是我们做的加速器的设计，从直线对撞机做一个增强环然后到一个对撞环，所以这个加速器放在这隧道里，我们需要仔细考虑，为什么我们现在要考虑未来的SppC的质子对撞机，就是因为我要在这个隧道里把它都放下去，我现在要保证将来能放下去，不能做完了以后回过头来说，对不起，我这个质子对撞机放不下了，只能放电子对撞机，将来要做质子对撞机，将来再挖一个，那是不可能的，所以我们要保证互相之间所谓的Compatible（兼容）。

在加速器设计方面，我们又有了一些创新性的设想。比如说，我们叫做部分双环的方案。因为到目前为止，我们的加速器要么双环要么单环，单环前面介绍过，有亮度不够的问题，双环的问题指标很好，但是很简单，两个环对一个环，两个环贵，一个环便宜，所以为了降低造价，我们做部分双环，10%的地方双环，其他地方单环，这样有了双环的指标，有单环的价格优势，做个估算，它的指标跟纯粹的双环基本是一样没有差别，这样一方面能够有好的指标，另外一方面有比较低的价格，探测器我们也在设计。

准备工作

预言

要解决建造的问题第一件事情就是要做预言，要搞清楚我们哪些地方行，哪些地方不行，我们能力到底有还是没有，现在要做的话，一方面是设计，包括土建方面的一些准备工作等，关键要解决一些技术问题，这里面包括射频加速超导腔，微波功率源、低温制冷机、高温超导线等，这些东西在很多地方都是有应用的，比如说射频超导腔在所有的加速器上都要用，功率源要用在加速器、广播、通信、雷达等，低温制冷机广泛用于民用、航天、科研等，很多对中国都禁运。高温超导线更不用说，这三样国际上有，我们现在没有，我们通过预言解决。高温超导线自然大家都没有，国际上没有我们也没有，我们做这件事情跟国际上是同步的，通过做这些预言工作，解决这些核心问题，使得我们设备将来建造的国产家化率能够达到90%以上。

选址

选址我们要考虑的方面是比如说园区，地质，经济配套等，都要使得它能够满足，作为一个未来的科学城，有上千位外国科学家在这里工作的要求，当然它的地质条件也需要满足，我们在国内很多地方做了一些寻找，目前也有意向，比如说在秦皇岛，未来需要做很多工作要做的工作。所以我们完成了这一千页的初步设计报告，组织了国际上国内外四个专家组做了评审，分加速器、探测器、理论、土建和通用四个部分，是四个组的合营。结论就是：科学意义重大，设计方案合理，没有不可克服的困难，预言项目的选择也合理。我们通过这个搞清楚，哪些能做，哪些不能做，哪些是我们需要，哪些是我们不需要的。通过初步概念的设计，我们把所有工作都依赖自己的队伍，年轻队伍成长非常迅速，你给年轻人做世界一流的工作，他就会成为世界一流。你不给他做世界一流的工作，他永远不会成为世界一流，要给他们机会，不是世界一流，不是年轻人的错，是我们自己没有给他们机会。

国内外的支持

这个项目应该说在国内外有广泛的共识，包括香山会议，包括中国物理学会，高能物理分会，国际未来加速器委员会，是国际上所有的重要国家实验室组成的委员会，大家讨论未来国际高能物理和大型加速器的发展，实际上你建任何加速器都要在这个委员会讨论，这个委员会实际上对我们的设想一直持肯定和支持的态度，未来国际也要依赖于它做国际合作的协调。时间进度大概在下一个五年计划，比如说2022年到2028年开始建设，SppC，当然是到204几年开始建设，到206几年，那时候反正我已经100岁了，反正不在了。

建造的条件

大家可能都会问SppC到底建还是不建？你是不是挖了一个坑，让我们都得建？我们当然不可能是不计后果、不顾一切地去建，他要满足两个条件，第一个条件是物理成果，CEPC物理成果，对你有一个指引说，建SppC是有科学意义的，这是第一个条件。第二个条件依赖于超导技术的成熟，也就是说我们现在的超导用的所谓低温超导，造价非常高，现有的高温超导造价也很高，我们要实现一个目标，把现在的电流密度提高10倍，价格要降低10倍，乘起来性价比就是100倍。有这100倍性价比的提高，第一是建这样一个加速器造价可以控制，不会是无底洞，或者不知道是多少；第二个如果这个成功了，有巨大的应用价值，我想大家都会理解。

我们组织了高温超导材料的讨论会，最后确定的所谓技术路线一个是基于国内的优势，发展铁基超导，提高性价比。第二个是同机的高温超导也要继续进行，两条腿同时走路，我们在10月份成立了实用化的高温超导材料产学研合作组，这个合作组实际上复制了我们光电倍增管合作组成功经验和管理模式。通过合作组，我们组织了物理所、电工所、中科大、高能所、西部超导、上海超导、上创超导三个公司，一起做高温超导的材料研究。我们的目标是能够实现将来的产业化。

而且我们也有一个价格的目标，每千安米是20块钱。这是我们成立的照片，国内超导界主要的人都在这，我们中国的铁基超导，拿过两个自然科学一等奖，在世界上基础研究从来都是性能最好的，一直保持世界记录，我们希望基础研究能够真的转化成可以实用化的成果，这个成果能够真正实现产业化，使它最后能够用上。一个大的项目，这样一个大科学工程，可以成为一个特殊的研究或者工程的牵引和指导，我想过去应该说有很多的例子都可以知道，大科学工程在这些方面有巨大的牵引作用。

关于预算

我们的队伍差不多有几百人，已经工作了三到四年，以后还会继续扩展这个队伍，开展这个研究。大家关心的造价还要再说几句。我们现在估计的50公里是254亿，100公里是360亿，略缩一点的话大概400亿左右。我们用不同办法做估计，最终你可以看到的Excel表是1000多行，做了非常详细的计算，我们相信它是基本合理的。

国际上有很多不成功的经验，比如说SSC大家都知道超预算很厉害，估价还在往上走，最后被砍掉，这里的核心实际上它用的全新技术质子加速器有各种各样的问题，国际上电子加速器没有不成功的，目前为止，所有的电子对撞机，所有同步辐射设施都成功了，当然质子加速器也有很多成功的，包括欧洲强子对撞机它也是成功的。所以对于质子对撞机，我们要非常小心非常认真。电子对撞机我们有非常多国内外的成功经验，包括我们的北京正负电子对撞机，我们对它有足够的信心。国内的项目到目前为止，至少我们高能所的项目，还没有说不成功或者超预算的，目前为止超预算没有超过5%。

经费的来源

关于经费的来源问题，我们希望能够调动各方面的积极性，比如通过重大国际合作专项，地方政府能提供土地和配套，国际合作有20%到30%的经费，这方面其实是有经验的，北京的谱仪国际贡献是国际贡献是100万美元，大亚湾1千万美元，江门是2千到3千万欧元，大亚湾30%，江门20%，北京谱仪当然比较早期的5%左右的。国际合作无论管理经验，还是获得国际的经费设施经验，我们都有。

所以我们认为CEPC可以发起的中国大科学项目，有国际合作贡献，国际上有很多大实验室都愿意参加合作，我们也签了大概20个左右的MOU（谅解备忘录）共同合作研制，如何管理还需要研究，我们也引进了“外专千人”，成立了国际顾问委员会等，所以国际合作方面的工作，我们也都在做。我们的目标是能够建设成一个国际的科学城，成为一个世界文明的一个标志，因为它是一个世界最大的科学测试之一，CEPC甚至到未来如果有可能也是同步辐射光源的装置，将来也可以做自由电子激光，这里面有科学研究，有技术，有多学科的研究，有基于同步辐射有大量多学科的研究，同时这里集聚上万名的世界各地的科学家、工程师、学生等，有企业、研究单位、教育培训等。

当然这样一个设施在北京可能不稀奇，如果是一个中等城市没有这个的设施，有了这样一个东西，对他的城市发展来说意义不一样，这也就是为什么地方政府都非常希望我们去，至少现在有7、8个城市都是经常来找，希望到他那儿去，落户在他那儿，当然地方不能太小、太破，以后外国人在那儿生活不方便。中等城市是比较理想的选择。

美国人不做？

为什么美国人不做？你为什么做这个事情？SSC都不做你为什么做？SSC为什么会被砍掉，这个细节咱们可以再讨论，他曾经想做ILC，但是没有从SSC的阴影当中走出，目前经费、管理也好，使得他做大项目非常困难，这也是为什么美国探月、空间站、加速器也好都没有能力做了，这个国家跟过去不一样，仔细去看一下美国大项目的进展，你要知道它的问题和困难，人家做不了你跟人家学，这是非常可笑的一件事情，我们还是要自己分析一下，我们有什么能力，为什么要做这个事情，至于美国人做和不做，不在考虑范围内。就像美国人今天做什么事情，他不会管你中国人做不做，我们中国人什么时候做得到，我想做什么我就做，我才不管美国人做不做，不要老想着人家干什么，人家做你跟着人家做也不做的，人家不做你去做也不对，那你什么都不做最好了。

SSC为什么砍掉？我希望大家做一些认真仔细的分析，所以这里面列了两个参考文献，有各种不同的说法，我认为很多说法都不对，因为大家人云亦云，并没有做科学的仔细分析，这两篇文章一个是所谓科学史的作者，查阅了很多档案的资料，从国会、政治、科学家访谈到国家实验室的各种资料，这本书很难读，因为都是档案，但是非常重要，你任何的结论，还是依据，所谓实际的、科学的、历史的资料来读，而不是简单的谁谁谁怎么造的，这个都不可靠。史单瓦切斯科（S.Wojcicki）是当年美国SSC建设时候的高能物理顾问委员会主席，也负责过SSC的建设，他是所谓的insider，知道了很多情况，但是insider的说法，可能会有Bias，你也不能全信他。所以我认为下面这本书，我认为更加可靠一点，如果愿意应该好好地去读一读这本书，而不是随便的人云亦云说，因为科学不重要，或者因为超预算就被砍了，像这些都不对。

中国有钱吗？

最后说一下，中国是不是真的花得起这个钱。在奥运会开幕式上，我们看到中国的四大发明。伦敦的奥运会紧跟在我们后面，人家拿出来的是原子核、CERN和互联网，这位蒂姆·伯纳斯•李(Tim Berners-Lee)，就是发明www网页的当时这个人，他在CERN工作，是英国人，所以在伦敦的时候，专门把他抬出来。如果算一下加速器的造价，我们当年做北京正负电子对撞机的时候，占当年的GDP的万分之一的，美国想做SSC的时候，也是万分之一。欧洲人做大型正负电子对撞机是万分之二，欧洲人做大型强子对撞机是万分三，可以知道欧洲人在科学上可能更愿意付出或者花得更多。日本人做国际直线对撞机万分之二，我们要做CEPC的话万分之零点五，SPPC万分之一，所以其实不在于钱的多少，实际上就看你是不是愿意付这个钱做这个事情，使得你真的对人类的文明能够有所贡献。我们不能是永远只知道挣钱不知道贡献的一个国家。

可以做，有钱做

所以CEPC是中国高能物理也是整个科学发展的重大机遇，Higgs研究本身意义非常重大，我们可以建一个，因为Higgs质量比较少，我们可以建一个环型对撞机，同时国际上有这样的机遇和环境，欧洲人要做LHC，日本人想做ILC，美国人做中微子，我们是后来者，我们提出来以后，至少暂时没有人跟我们抢，我们可以做，而且我们有科学技术经济的能力，特别是有30年北京正负电子对撞机设计经验和基础，这也就是为什么我想继续再做一个正负电子对撞机，因为有技术的传承，所有的技术从头开始是很难的，有技术传承，就像日本人做水探测器，中微子做液闪探测器，现在正负电子对撞机从北京正负电子对撞机到现在到将来，是几十年的传承，这样保证技术积累，人才队伍等，有把这件事情做成的可能性。

小结与展望

最后小结。中国的高能物理发展起点还是很高的，当年老一辈做正负电子对撞机时做了非常艰难的决定，也是非常勇敢的决定，从难度来说，当年的难度比现在说要做一个CEPC那要难得多。应该说30多年来我们发展非常顺利，现在面临重大机遇，使得我们可以在高能物理非常重大的科学领域能领先世界，在一批关键技术上能领先世界，就像刚才介绍的从制冷机到竖条管等。同时它是一个大型的多学科平台同步辐射，也使得我们可以获得巨大的经济和社会效应。所以我们认为是中国发起的国际大科学项目一个好的侯选，作为科学家来说提供这样一个选择，是我们的责任，最终的决定当然还是由政治家来决定。随着中国世界影响力的提高，我们会有更多的大科学装置会逐步赶上并引领世界。

这张照片是我在深圳机场拍的，华为做的一个广告。他们对发现上帝粒子做了贡献，到底做了多大贡献我也不知道，但是人家做了广告，我相信如果建了CEPC，中国会有上百个企业把类似的广告做到全世界，谢谢大家！

墨子沙龙·观众微信群

与科学家们·面对面

扫描二维码

进入微信群

● ● ●  

墨子沙龙

阅
读

延伸

“

“

“