這機器超大又超貴，要不要建？中國科學界熱議大型粒子對撞機

繼引力波、量子通信之後，又一個「高冷」的物理名詞成了新晉「網紅」－－對撞機，因為科學「大咖」們最近在爭論中國現在要不要建大型對撞機「這種超大超貴的機器」。對撞機究竟是什麼？國外發展如何？中國進展怎樣？新華社記者採訪了業內權威專家。

焦點一：什麼是對撞機？

從字面上解析，對撞機就是讓某種東西在其中對撞的機器。但「大咖」們近日爭論的對撞機對撞的可不是一般的東西，而是高能物理領域被加速到接近光速的帶電微小粒子。

上世紀以來，人類對於物質結構的認知已經從分子、原子、原子核層次，逐步深入到更小的結構單位誇克和輕子。如何對這些愈加微小粒子進行研究，這活兒只能讓對撞機幹。

「對撞機是人類探索微觀物質世界的『超強顯微鏡』。科學家要研究的粒子愈微小，選用的對撞機體積就要愈龐大、粒子加速的能級也越高。現代大型加速器的周長可達數十公里，造價在幾十億到幾百億美元不等。」在國內外大型對撞機工作多年的上海應用物理研究所所長趙振堂說。

對撞機家族成員眾多。按照對撞粒子的種類分，可分為電子對撞機、質子－質子對撞機、電子－質子對撞機和重離子對撞機等；按照對撞機的形狀分，可分為環形對撞機和直線對撞機。

中國科學院物理研究所研究員曹則賢介紹，雖然對撞機的種類各有不同，但對撞機中用於碰撞的兩束粒子一般會選擇一對正反粒子，如電子與正電子或者質子與反質子。

「一對高能正反粒子碰撞會湮滅，然後產生新的粒子。所以，對撞機可以幫助我們研究這些新粒子的內在性質、產率及其能量和動量的分布，理解粒子之間的基本相互作用，從而回答一些基礎物理問題，如到底有哪些基本粒子，有怎樣的相互作用，粒子的質量從哪裡來，物質的起源等。」曹則賢說。

對撞機，一個具有神奇法力的「大魔盒」

在科學家眼中，對撞機就像一個具有神奇法力的「大魔盒」。因為當粒子被加速到極高能量、進行對撞後，沒準兒就會產生地球上極為稀少的重要物理現象，通過捕捉、測量這些新現象，人類可以進一步發現自然世界的基本規律。

中科院高能物理研究所副研究員、國家「青年千人計畫」入選者朱宏博說，過去50年，粒子物理學界最為成功的理論模型就是標準模型，這一模型很大程度上是通過對撞機實驗的充分驗證而逐漸確立的。歷史上，近20位元諾貝爾物理學獎獲得者的工作都與確立標準模型有關，代表著主流科學社會對於對撞機及其實驗研究的高度認可。

當然，對撞機並不是科學「大咖」們的專利品，它對社會經濟民生以及人類科技發展也有巨大的推進作用。「比如從加速器技術發展出質子治癌技術，提高癌症治癒率。從加速器技術衍生出的散裂中子源、同步輻射光源等為材料、生物研究提供先進技術手段等；從對撞機實驗發展出的諸多精密探測器技術也在國土安全、航空航太、工業探測、醫療成像等領域得到廣泛應用。」朱宏博說。 （相關報導： 科學家：大強子對撞機可能揭示高維度空間 ｜ 更多文章 ）

焦點二：對撞機世界發展狀況怎樣？

據介紹，早在20世紀50年代，歐洲、美國和蘇聯的科學家提出了各自建造對撞機的計畫。1962年，世界上第一台對撞機在義大利弗拉斯卡蒂實驗室建成。次年，美國和蘇聯也分別建成了正負電子對撞機。在這以後，對撞機隨粒子物理的發展需求，如雨後春筍出現在世界各大高能物理實驗室。

據介紹，歐洲核子研究中心（CERN）的大強子對撞機（LHC）是世界上最大的粒子加速器，它位於日內瓦附近、瑞士和法國交界地區地下100公尺深處的環形隧道內，隧道環的周長為27公里。

朱宏博說，目前，國際上正在運行的除了歐洲大強子對撞機，還有美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機，中國科學院高能物理研究所的北京正負電子對撞機等。擬建的有日本的國際直線對撞機，歐洲核子研究中心的未來環形對撞機和緊湊型高能直線正負電子對撞機等。

過去50年，對撞機在基礎物理領域特別是在驗證、完善粒子物理的標準模型方面取得了豐碩成果。例如，2012年歐洲大強子對撞機實驗發現希格斯玻色子粒子，這是2013年諾貝爾物理學獎的實驗基礎；2008年的諾貝爾物理學獎獲得者關於對稱性破缺的重要工作，也是基於對撞機的實驗驗證。

歷史上也有遇挫的例子，比如為人熟知的美國的超導體超級對撞機。遇挫的專案往往技術預研究不夠充分就匆匆上馬，工期延長，成本上升。所以，對於未來對撞機專案，需充分重視技術預研的重要性，細緻工作、嚴密論證，為項目順利實施奠定紮實基礎。

焦點三：中國的對撞機發展如何？

曹則賢表示，中國目前在北京、合肥和上海三地有加速器，但只有北京的加速器作為正負電子對撞機使用，運行在十億電子伏特的能量水準上。如果有大型對撞機，可以在更高能量水準上從事粒子物理研究。

回顧中國對撞機的發展歷程，朱宏博說，上世紀七八十年代，經李政道、潘諾夫斯基等建議，國內科學家設計並充分論證，經國家領導人批示，建造北京正負電子對撞機。

北京正負電子對撞機是世界八大高能加速器中心之一。1988年10月16日，兩束正負電子在北京西郊一個羽毛球拍狀的巨型機器裡成功對撞，揭開了中國高能物理研究的新篇章。在穩定、高效運行了15年後，北京正負電子對撞機於2003年圓滿完成了預定的科學使命。

北京正負電子對撞機重大改造工程於2004年1月動工，耗資6.4億元，於2009年5月成功通過驗收，性能比改造前提高了30多倍，繼續保持了中國在國際高能物理研究上的優勢。「在中國工業基礎薄弱的條件下，我們選擇了自主研發各類關鍵技術設備，最終使得改造工程對撞機部件的國產化率達到85%。」朱宏博說。

中科院高能物理研究所所長王貽芳此前表示，規劃的大型對撞機專案（以周長為100公里算）分兩步走：第一步正負電子對撞機建設階段，約在2022年至2030年間；第二步質子對撞機階段，需要經過充分的科技攻關，嚴密的技術論證。 （相關報導： 科學家：大強子對撞機可能揭示高維度空間 ｜ 更多文章 ）

其中，正負電子對撞機可將希格斯粒子的測量精度提高至1%左右，這就可以確認希格斯粒子的性質，判斷希格斯粒子是否與標準模型預言完全一致。正負電子對撞機還有望首次測量希格斯粒子的自耦合，確定希格斯場參與的真空相變的形式，這對宇宙的早期演化具有重要意義。