来论 | 高能所专家:巨型加速器“两步走”方案未寄望于偶然发现

赛先生 2016-01-06
编者按

建设巨型加速器的设想是人类最具悬念的试验之一,由于工程浩大,所费甚靡,此类工程在各国都是受争议的项目。如今,继上世纪70年代中国研制成功北京正负电子对撞机之后,有相关机构提出建设新一代高能加速器的设想和方案。然而任何一个重大科学项目的上马都需要经过科学上和工程上的严格论证,以明确其必要性和可行性。《赛先生》旨在传播科学知识、弘扬科学精神,故秉持中间立场,鼓励各方来稿,积极参与讨论。


娄辛丑 (千人计划A,中科院高能物理研究所研究员兼美国德克萨斯大学达拉斯分校物理系教授)


针对中国该不该建设巨型加速器一事,《赛先生》昨天(1月5日)推送的评论文章“中国投巨资建设加速器,不应寄望于偶然发现”(作者为美国加州大学圣塔芭芭拉分校物理系副教授许岑珂,下称“许文”)提出一个很好的论点:“投巨资建设加速器,不应寄望于偶然发现”。

对这一点,我们很同意。其实,中国的高能物理学家在讨论北京正负电子对撞机后的发展方向时,多次涉及此问题,大家也都基本同意这一观点。直到2012年,我们提出了“两步走方案”来建设更高能标的巨型加速器,才初步解决这个问题。

“两步走方案”计划(期望)在2020-2025年间先开工建设能量为250GeV的高能正负电子对撞机,大量产生干净的希格斯粒子,并寻找新物理可能出现的迹象。如果一切顺利,有新物理的迹象,且质子对撞机被证明是有必要建设,且关键环节超导线技术取得突破的话,2040年左右再开始建设质子对撞机。如结果不如设想,则另作考虑。

这种“两步走”的计划是我们的方案与国外的不同之处。如果按国外的直接上质子-质子对撞机这一做法来,那么许文中说的问题就会存在。而我们的中国方案更加稳妥可行,容易满足科学、技术等各方面的要求和条件。

环形正负电子对撞机隧道示意图(高能所/供图)

具体来说,我们认为,建设更高能标的大型加速器从正负电子对撞机起步有几大好处:

一是能保证有重大科学产出,不会出现许文中担心的情形。希格斯粒子是粒子物理中最重要的粒子,科学上对它的认识远没有结束,而发现了希格斯粒子的大型强子对撞机(LHC)不能完成这个任务。这就像当年欧洲核子研究中心(CERN)在质子-反质子对撞机上发现了W± 和Z0粒子以后,又建了大型正负电子对撞机(LEP)来仔细研究其性质,从而确定了希格斯粒子的质量范围,最终又在同一隧道里建设了质子-质子对撞机LHC,直接发现了希格斯粒子。科学的进步有其逻辑性和艰辛的一面,要一步一步走。没有LEP,我们是不能确认LHC上可以发现希格斯粒子的。

二是相对容易。中国有建设北京正负电子对撞机的经验,技术上起步容易,没有根本困难。且隧道建成,就占领了制高点,下一步无论是否建设质子对撞机,都处于主动地位。

三是造价相对便宜。按CERN的经验,正负电子对撞机会比质子对撞机便宜3倍左右。

四是可以赢得时间。目前建设质子对撞机,技术上有重大困难,需要等待低温或高温超导技术的突破才行,否则造价是无法承受的。我们目前的计划是在正负电子对撞机研制期间,开展新型超导线的研制,其突破不仅仅可以解决质子对撞机的问题,也可以用来取代目前的输电电缆,这对整个国民经济有不可估量的重大意义。

事实上,中国的超导材料和机理研究走在世界前列,低温和高温超导线也已可以出口海外。按照过去20年高温超导线的发展速度推算,再积极推动20年,这个突破是可能实现的。我们有理由相信,有明确的目标牵引,有国家的支持,有大家的努力,中国的超导线,特别是高温超导线会成为世界第一。事实上,这方面的讨论已经开始,准备工作也在酝酿之中。

正负电子对撞机的建设也会推动我们很多技术和产品成为世界第一,至少可以替代进口,这是投资高能物理最特别的地方。比如大型低温制冷机(目前基本被国外企业垄断,某些还对中国实行禁运)、大功率速调管(也可用于广播、雷达等)、超导高频腔(未来加速器的必备)、高速电子学及专用集成电路、抗辐照芯片,更不要说对微波、真空、精密机械、自动控制、辐射探测、计算机及网络等各方面的巨大推动。

有人说,未来可能出现新的加速原理,这类传统的巨型对撞机就落后了,或者说我们的投资可能就全浪费了。事实上,新加速原理的研究已进行了几十年,进步虽然很大,但有一些根本困难,暂时还看不到突破的希望,远未达到可以建设对撞机的程度,更不要谈在有限的经费下实现这一目标。

另外有一点(和许教授文章无关)要澄清的是,有传言说巨型加速器会撞出黑洞来毁灭地球,这种传言不是第一次出现了。当年LHC启动时,国际上就有这样的传言,试图阻止LHC的启动。但事实上,LHC运行了并发现了希格斯粒子,地球还是好好的。其次,在我们周围,每天都在发生着这样的高能粒子对撞。高能宇宙射线(主要成分是质子,能量可以比LHC高得多)天天与我们大气中的质子发生碰撞,可地球仍然好好好地在这儿。

质子对撞机不是我们马上要建的,2040年是否建,也要看正负电子对撞机的运行结果,需要严谨的科学、工程方面的可行性论证。所以大可不必担心。



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