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?希格斯粒子對(duì)撞事件

撰文 | 韓濤等（全體簽名者詳見(jiàn)文末）

責(zé)編 | 李曉明

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我們是在美國(guó)工作的華人高能物理學(xué)者, 在大學(xué)或者研究機(jī)構(gòu)從事一線的高能物理的科研和教學(xué)。我們的研究方向包括高能物理理論，實(shí)驗(yàn)，和加速器設(shè)計(jì)。我們非常關(guān)注近來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)“中國(guó)今天是否要建大型對(duì)撞機(jī)”的熱烈討論。我們對(duì)國(guó)內(nèi)的科技進(jìn)步教育發(fā)展十分關(guān)心，而且目前的論題恰恰是我們自己熟悉的專(zhuān)業(yè)，所以我們覺(jué)得應(yīng)該對(duì)此從專(zhuān)業(yè)的角度提供一些分析和意見(jiàn)。

2012年，物理學(xué)家在歐洲核子中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子。這是高能物理一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)。它的發(fā)現(xiàn)是六十年代提出的希格斯機(jī)制、七十年代提出的粒子物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”理論的巨大成功，標(biāo)志著人類(lèi)對(duì)大自然的基本規(guī)律的理解又往前邁進(jìn)了一大步。希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)也是幾十年來(lái)無(wú)數(shù)高能物理的理論家和實(shí)驗(yàn)家精誠(chéng)合作的結(jié)果。

但與此同時(shí)，希格斯粒子本身也帶來(lái)了全新的困惑和疑團(tuán)。和自然界其他基本粒子：夸克、電子、中微子以及光子等相比，希格斯粒子有著我們前所未見(jiàn)的特性。它是其他基本粒子的質(zhì)量起源，然而我們卻不知道它的組成，和它自身質(zhì)量的來(lái)源。同時(shí)，希格斯粒子和自己的相互作用對(duì)宇宙早期的演化有著直接的影響。研究希格斯粒子可以為我們解釋現(xiàn)在宇宙中的物質(zhì)之所以多于反物質(zhì)提供極其有用的線索。希格斯還可能是通向更加廣闊的未知世界的一個(gè)窗口和進(jìn)一步解決暗物質(zhì)等多個(gè)重大問(wèn)題的鑰匙。 

這些都是物理界當(dāng)前面臨的最重要和最緊迫的問(wèn)題，也是高能物理學(xué)進(jìn)一步發(fā)展必須迎接的挑戰(zhàn)和解決的問(wèn)題。毋庸置疑，對(duì)這些問(wèn)題的深入研究是尋求物理學(xué)上新的突破的珍貴契機(jī)，可以引導(dǎo)我們尋找更深層次的物理學(xué)規(guī)律。高能物理學(xué)界從理論上提出過(guò)不少可能的對(duì)這些問(wèn)題的解決方案，例如超對(duì)稱(chēng)，額外空間維度，和復(fù)合希格斯粒子模型，等等。但是如果沒(méi)有實(shí)驗(yàn)的證據(jù)，這些都只是猜想。深入研究希格斯粒子的物理絕不僅僅是去證實(shí)這其中某一種猜想。其物理目的是尋找這些重大問(wèn)題的真正答案和線索，從而進(jìn)一步深化我們對(duì)自然之道的理解。

自1911年盧瑟福的“碰撞”實(shí)驗(yàn)揭示了原子結(jié)構(gòu)以來(lái)，粒子加速器以及高能對(duì)撞機(jī)就是探索深層微觀世界、發(fā)現(xiàn)新物理現(xiàn)象的重要工具，產(chǎn)生了很多革命性的成果，載入了科學(xué)發(fā)展的史冊(cè)。歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)把人類(lèi)對(duì)自然界的探索推進(jìn)到了微觀世界約10^-9納米的尺度（大致是頭發(fā)絲粗細(xì)的百萬(wàn)億分之一）！ 如今，在高能物理發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)刻，我們更加需要新的對(duì)撞機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)新的突破。

對(duì)撞機(jī)是一種特殊的粒子加速器，它能把電子，質(zhì)子或著它們的反粒子加速到空前的高能量，然后使它們進(jìn)行對(duì)撞。實(shí)驗(yàn)物理家就是通過(guò)對(duì)這些猛烈碰撞的探測(cè)和分析來(lái)探索微觀世界的物理規(guī)律。由于研究碰撞的細(xì)節(jié)需要大型的和復(fù)雜的探測(cè)器，如今的高能物理實(shí)驗(yàn)通常是不可能由幾個(gè)人或幾十個(gè)人來(lái)完成的，它一般由上千人的大型國(guó)際合作組進(jìn)行。因此對(duì)撞機(jī)會(huì)吸引世界上大量的頂尖物理學(xué)家和科技人員。它提供了一個(gè)交流平臺(tái)，自然會(huì)促進(jìn)東道國(guó)的科學(xué)，技術(shù)和制造的發(fā)展。歐洲核子中心就是一個(gè)典型的例子。對(duì)撞機(jī)對(duì)高能物理的發(fā)展就像望遠(yuǎn)鏡對(duì)天體物理的發(fā)展一樣是個(gè)必不可缺的工具。

五十年來(lái)，任何一個(gè)新的基本粒子的發(fā)現(xiàn)，包括針對(duì)粲夸克、奇夸克、底夸克及頂夸克進(jìn)行的深入研究，都帶來(lái)了豐富的科研成果，引導(dǎo)了高能物理學(xué)的發(fā)展。這其中也包括了在北京的高能物理研究所建造的Tau-Charm工廠。對(duì)一個(gè)粒子的性質(zhì)的精密測(cè)量往往會(huì)指向下一個(gè)新物理的能標(biāo)。 一個(gè)典型的例子就是頂夸克的質(zhì)量。 早在頂夸克發(fā)現(xiàn)之前， 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)模型參數(shù)的精確測(cè)量已經(jīng)可以告訴我們頂夸克質(zhì)量的大致范圍。這就如同十九世紀(jì)天文學(xué)家通過(guò)對(duì)天王星的軌道攝動(dòng)而預(yù)測(cè)一顆未知行星的質(zhì)量和軌道并最終觀測(cè)到了海王星。 

希格斯粒子作為最新發(fā)現(xiàn)的而又是最為神秘的粒子，建造仔細(xì)研究它的性質(zhì)的希格斯工廠在高能物理界勢(shì)在必行。事實(shí)上，在希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)后，國(guó)際上已經(jīng)展開(kāi)了這方面的熱烈討論。目前，中國(guó)高能物理學(xué)家提出的“環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）”就是最理想的希格斯工廠。對(duì)撞機(jī)周長(zhǎng)大約50-100公里，能把正負(fù)電子加速到兩千五百億電子伏的能量，這是大量產(chǎn)生希格斯粒子的最佳能量。建成后，CEPC可以在十年的時(shí)間里產(chǎn)生約一百萬(wàn)個(gè)希格斯粒子。雖然歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC可以產(chǎn)生更多的希格斯粒子，但是強(qiáng)子作為復(fù)合粒子，主要參與強(qiáng)相互作用，碰撞時(shí)同時(shí)產(chǎn)生的巨大“背景噪音”使得我們難以對(duì)這些希格斯粒子進(jìn)行精密的測(cè)量。計(jì)算表明，在希格斯工廠這樣的理想實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對(duì)這些希格斯粒子的深入研究可以把我們對(duì)其許多性質(zhì)的測(cè)量精度提高到LHC的10倍以上，從而探索粒子物理中懸而未決的重大問(wèn)題，包括質(zhì)量起源問(wèn)題、希格斯本身動(dòng)力學(xué)問(wèn)題等。更進(jìn)一步，任何可能測(cè)量到的希格斯粒子的性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的偏差都將可以揭示新物理的存在。建立希格斯工廠將是解決高能物理目前最緊迫的問(wèn)題的道路上的最關(guān)鍵一步。它還可以降低運(yùn)行能量，成為Z工廠，產(chǎn)生出上百億的Z粒子，進(jìn)一步精確檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型并尋找新物理現(xiàn)象的蛛絲馬跡。CEPC的任務(wù)完成后，環(huán)形對(duì)撞機(jī)可以升級(jí)為高能質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SppC），預(yù)計(jì)比LHC的能量提高大約七倍，成為下一代的高能物理的前沿。但是SppC的建造與否要取決于LHC和CEPC的結(jié)果，技術(shù)的成熟程度和未來(lái)資金的情況。關(guān)于SppC的物理討論，超出了我們目前考慮的范圍。

美國(guó)從八十年代開(kāi)始熱烈討論“超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)（SSC）”，目的就是發(fā)現(xiàn)和研究希格斯粒子。當(dāng)時(shí)，全世界上千名科學(xué)家和工程技術(shù)人員云集美國(guó)，學(xué)術(shù)氣氛十分活躍。但最后由于種種政治上的原因，美國(guó)政府在1993年宣布終止SSC計(jì)劃。這個(gè)決定對(duì)美國(guó)高能物理學(xué)是一場(chǎng)災(zāi)難，而且對(duì)整個(gè)美國(guó)的基礎(chǔ)科學(xué)研究帶來(lái)的負(fù)面影響至今仍難以消除。與此同時(shí)，1994年，歐洲核子中心CERN批準(zhǔn)了建造LHC的計(jì)劃，由此高能物理研究中心從美國(guó)移到歐洲。2012年，LHC成功地發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，登上了高能物理新的高峰。希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)當(dāng)然是多國(guó)科學(xué)家共同合作的結(jié)果，其中包括許多海內(nèi)外的中國(guó)科研人員。展望未來(lái)，有LHC運(yùn)行的歐洲核子中心在今后十幾年中仍將是世界高能物理無(wú)可爭(zhēng)議的中心。

現(xiàn)在，中國(guó)有一個(gè)極好的機(jī)遇和時(shí)機(jī)開(kāi)展大對(duì)撞機(jī)的建設(shè)。在希格斯粒子發(fā)現(xiàn)以后，進(jìn)一步研究其性質(zhì)成了眾所周知的緊迫問(wèn)題。歐洲核子中心也正在考慮一個(gè)類(lèi)似的希格斯工廠的建設(shè)方案。然而，它目前的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將要持續(xù)運(yùn)行到2030年后。在此之前，在歐洲核子中心建設(shè)新的大型對(duì)撞機(jī)還不現(xiàn)實(shí)。美國(guó)目前的主要精力放在中微子實(shí)驗(yàn)和支持歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的工作，還未能夠考慮未來(lái)的大型對(duì)撞機(jī)計(jì)劃。日本正在考慮建設(shè)高能直線加速器（ILC），其物理目標(biāo)同CEPC相輔相成，并且和中國(guó)作決定的時(shí)間段差不多。但是CEPC在研究希格斯粒子上有優(yōu)勢(shì)，如果及時(shí)啟動(dòng)可以和ILC有力地競(jìng)爭(zhēng)。所以，從現(xiàn)在算起，中國(guó)有大致十到十五年的黃金時(shí)間?？紤]到建設(shè)這類(lèi)大項(xiàng)目的周期，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)科學(xué)家們正在開(kāi)展預(yù)研，準(zhǔn)備2022年左右建設(shè)。高能物理實(shí)驗(yàn)規(guī)模大，時(shí)間長(zhǎng)，投入多。這決定了這個(gè)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有一定的獨(dú)占性。中國(guó)如果可以抓住機(jī)遇開(kāi)始這個(gè)工程，可以一舉奠定在國(guó)際高能物理上的領(lǐng)軍地位，并保持幾十年。

自八十年代改革開(kāi)放以來(lái), 中國(guó)已經(jīng)從一個(gè)貧窮的國(guó)家發(fā)展成為了第二大經(jīng)濟(jì)大國(guó)，創(chuàng)造了世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的奇跡。雖然中國(guó)的人均水平還遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)的國(guó)家, 但中國(guó)政府己布局下一步的發(fā)展藍(lán)圖, 加強(qiáng)創(chuàng)新型發(fā)展, 加強(qiáng)國(guó)家對(duì)科技和基礎(chǔ)研究投入能力, 開(kāi)始著手建設(shè)大規(guī)模科學(xué)工程和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。這是非常明智的選擇。我們相信這將成為中國(guó)科技發(fā)展的新引擎。建造CEPC對(duì)中國(guó)而言將是一個(gè)規(guī)?？涨暗幕A(chǔ)科學(xué)項(xiàng)目。如高能所王貽芳所長(zhǎng)所說(shuō)，這個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)估計(jì)需要從 2022年至 2032 年每年大致投入三十億人民幣的資金, 大約為國(guó)家每年對(duì)基礎(chǔ)研究的投入的幾個(gè)百分點(diǎn)。令人鼓舞的是，中國(guó)對(duì)基礎(chǔ)科研的投入的比重正在逐年增加，有可能接近或趕上國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。從目前公布的數(shù)據(jù)來(lái)看，CEPC這樣的項(xiàng)目并沒(méi)有超出中國(guó)的能力范圍。我們相信中國(guó)有能力，也應(yīng)該把握住這個(gè)難得的機(jī)遇，擔(dān)當(dāng)起探索希格斯粒子奧秘的重任。

基礎(chǔ)科學(xué)研究是人類(lèi)對(duì)自然的好奇心驅(qū)使的，并不是簡(jiǎn)單地建立在有沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用為初衷?？v觀人類(lèi)五千年文明的歷史，這種探索大自然的精神正是我們社會(huì)不斷發(fā)展前進(jìn)的動(dòng)力和源泉。由基礎(chǔ)科學(xué)研究的結(jié)果而創(chuàng)造的工業(yè)技術(shù)革命和飛躍的例子數(shù)不勝數(shù)。一百年前，愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了廣義相對(duì)論并得到了實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。如果沒(méi)有這個(gè)理論的精確計(jì)算，GPS就無(wú)法找到你想要去的地址。如果沒(méi)有量子理論，就無(wú)法想像我們周?chē)母鞣N電子器件和智能手機(jī)。高能物理研究是基礎(chǔ)科學(xué)及高技術(shù)研究中具有標(biāo)志性的一個(gè)重大領(lǐng)域, 采用的手段覆蓋領(lǐng)域?qū)拸V，并會(huì)提出新的要求，因此常常會(huì)催生技術(shù)上的革命：加速器不僅僅是我們探索自然的一種工具，對(duì)其他物理學(xué)科、生物學(xué)研究、臨床醫(yī)學(xué)等都有直接應(yīng)用。其實(shí)世界上有幾萬(wàn)臺(tái)的小型加速器在各行各業(yè)里面工作，用質(zhì)子和快中子源治療腫瘤就是一例。另外，我們天天離不開(kāi)的萬(wàn)維網(wǎng)，它當(dāng)時(shí)就是為了服務(wù)于眾多的世界各地的合作組，及時(shí)得到大量的高能物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在歐洲核子中心CERN應(yīng)運(yùn)而生。它極大地改變了每個(gè)人的日常生活和交流方式，為社會(huì)創(chuàng)造了巨大的財(cái)富。

基礎(chǔ)科學(xué)的投入還是一個(gè)非常有效的培養(yǎng)人才的方式。第一個(gè)超導(dǎo)對(duì)撞機(jī)是在美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的Tevatron。在那里發(fā)現(xiàn)了頂夸克，并得到了很多其它重要物理結(jié)果。同時(shí)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室作為一個(gè)科學(xué)中心，培養(yǎng)出來(lái)上千的博士生，訓(xùn)練了大學(xué)生，并為中學(xué)生做科學(xué)啟蒙。現(xiàn)在CERN的大型對(duì)撞機(jī)LHC，發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，繼續(xù)探索自然界更深層的奧秘。僅LHC 的CMS一個(gè)實(shí)驗(yàn)就已經(jīng)培養(yǎng)出來(lái)約1750名博士，對(duì)科學(xué)、工業(yè)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)貢獻(xiàn)極大。另一個(gè)LHC上的大型實(shí)驗(yàn)ATLAS的成績(jī)類(lèi)似。CERN有2250多名在職員工、27個(gè)成員及附屬成員國(guó)家，齊心協(xié)力為國(guó)際化的科學(xué)城做貢獻(xiàn)。

中國(guó)在過(guò)去三十年對(duì)高能物理研究方面投入已取得了引人注目的成就, 包括今天的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)及其重大成果，并建成了同步輻射光源、散裂中子源等大科學(xué)平臺(tái)為全國(guó)的科技界服務(wù), 并且培養(yǎng)了許多有創(chuàng)新能力的科學(xué)及相關(guān)技術(shù)的頂尖人才。中國(guó)目前提出的希格斯工廠（CEPC）用來(lái)詳細(xì)研究希格斯粒子、Z粒子的性質(zhì)。這將是高能物理研究的必經(jīng)之路，具有極高的科學(xué)價(jià)值。同時(shí)它將成為中國(guó)在這樣一個(gè)重大的、有引領(lǐng)作用的科學(xué)領(lǐng)域作出杰出貢獻(xiàn)的平臺(tái)，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)的科技進(jìn)步，使一些重要產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化達(dá)到世界先進(jìn)水平，形成一個(gè)國(guó)際科學(xué)與技術(shù)中心并促進(jìn)國(guó)際雙向交流和合作，吸引大批高端人才參加工作。CEPC這樣的大科學(xué)項(xiàng)目還有助于提高整個(gè)社會(huì)對(duì)科學(xué)的關(guān)注，對(duì)于學(xué)科教育事業(yè)的發(fā)展會(huì)有極其正面的影響。應(yīng)當(dāng)指出的是，建造CEPC是個(gè)非常大的工程項(xiàng)目，只有高能物理學(xué)家的參與是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。其他領(lǐng)域比如土木工程，機(jī)械工程，材料工程，電子工程和大規(guī)模計(jì)算的專(zhuān)家都會(huì)找到他們的用武之地。在整個(gè)建造過(guò)程和建成之后的運(yùn)行，每年能吸引數(shù)千名國(guó)際上的科學(xué)技術(shù)人員來(lái)參與工作。他們的到來(lái)會(huì)極大的刺激周邊的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，并同時(shí)大大提高中國(guó)整個(gè)社會(huì)和國(guó)家的形象及國(guó)際影響。

在過(guò)去的幾年中，CEPC已經(jīng)成為了海外高能物理學(xué)者，特別是年輕人關(guān)注的焦點(diǎn)。CEPC項(xiàng)目付諸實(shí)施后，作為高能物理的中心，必將吸引更多海外人才回國(guó)效力。 

目前，中國(guó)高能物理研究正面臨著一大機(jī)遇。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)從九十年代開(kāi)始運(yùn)行。從那時(shí)起，中國(guó)的實(shí)驗(yàn)高能物理從無(wú)到有、由弱變強(qiáng)，已經(jīng)取得了舉世矚目的成績(jī)。中國(guó)新一代的高能物理學(xué)家已有能力來(lái)承擔(dān)大型的國(guó)際項(xiàng)目。中國(guó)不僅有基礎(chǔ)、有人才來(lái)開(kāi)展建設(shè)研究，同時(shí)國(guó)際合作也日益密切。希格斯工廠這個(gè)項(xiàng)目得到了眾多國(guó)際頂尖的理論、實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的支持?？v觀國(guó)際高能物理的環(huán)境，中國(guó)考慮建設(shè)大型對(duì)撞機(jī)的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。

大科學(xué)裝置的預(yù)研、建設(shè)與投入，符合中華民族偉大復(fù)興的步伐。希格斯工廠CEPC的建造及其科學(xué)成果將是中國(guó)高能物理躋身世界一流的大飛躍。我們熱切期盼這一天的到來(lái)。作為在海外工作的高能物理學(xué)者，我們?yōu)橹袊?guó)能夠在這個(gè)領(lǐng)域中領(lǐng)跑世界，為基礎(chǔ)物理作出貢獻(xiàn)感到由衷的激動(dòng)。為了這個(gè)目標(biāo)，我們?cè)敢庠诟鱾€(gè)方面傾盡全力作出我們的貢獻(xiàn)。