大對撞之12：中科院學(xué)者回應(yīng)斯坦福學(xué)者
- 編者按 -
對于中國是否應(yīng)該建造大對撞機的辯論，已經(jīng)成為“大對撞”，有物理學(xué)家之間的激烈辯論，也有科學(xué)界其他人、關(guān)心中國發(fā)展的其他人的碰撞，雖然程度不同。
12月18日，斯坦福大學(xué)教授趙午通過《知識分子》談了他對中國是否應(yīng)建超級對撞機的幾點意見。
12月19日，中國科學(xué)院高能物理研究所的兩位研究員阮曼奇和徐慶金寄信《知識分子》，就趙午提出的幾個問題進行了回應(yīng)。
關(guān)于這一議題，《知識分子》秉承公平、理性原則繼續(xù)為多方提供討論平臺。歡迎寄信editor@zhishifenzi.com，發(fā)表您的看法。
撰文 | 阮曼奇 徐慶金（中國科學(xué)院高能物理研究所）
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答“是否建造大型對撞機的XYZ問題
“第一，我們先要自問，為了SPPC（超級質(zhì)子對撞機），我們真的有決心有毅力，投入Z的經(jīng)費，三十年全力以赴去做它的預(yù)研嗎？”
“第二，我們真的為了那個隧道投入X元建造 CEPC（環(huán)形正負電子對撞機）嗎？”
“第三，我們真的愿意投入X+ Y+ Z去送幾位西方人去斯德哥爾摩嗎？”
其中，X指CEPC的造價；Y指SPPC的造價；而Z指SPPC技術(shù)的預(yù)研。
作為從事CEPC和SPPC研究的一線科研人員，我們將就上述問題給出回應(yīng)。我們的回答不是標(biāo)準(zhǔn)答案，歡迎其它專家繼續(xù)討論。
CEPC具有明確的科學(xué)目標(biāo)和重大的科學(xué)意義
趙先生在文章中暗示：CEPC的建設(shè)只是為SPPC提供一個隧道。這種說法沒有依據(jù)。
目前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型遠不是一個終極理論，它存在大量未解之謎：它無法解釋引力、暴脹、暗物質(zhì)、暗能量等基礎(chǔ)現(xiàn)象，也無法完全解釋粒子之間存在的巨大的質(zhì)量差異、物質(zhì)-反物質(zhì)的不對稱性，等等。這些問題使得人們普遍相信標(biāo)準(zhǔn)模型背后存在更為基礎(chǔ)的物理原理（新物理）。希格斯玻色子是標(biāo)準(zhǔn)模型的基石，和上述未解之謎存在千絲萬縷的聯(lián)系；而其性質(zhì)的精確測量是探索新物理的最好探針之一：測量精度越高，能探索的新物理的能標(biāo)越高。如CEPC概念設(shè)計報告指出的，如果我們將希格斯玻色子的性質(zhì)測量到1%的相對精度，就可以對10TeV能標(biāo)下的新物理進行掃描；這一精度和可探索的能標(biāo)超過目前LHC（大型強子對撞機）一個數(shù)量級。CEPC將為標(biāo)準(zhǔn)模型未解之謎的探索提供關(guān)鍵線索，有可能直接發(fā)現(xiàn)新物理原理。
退一步說，即使CEPC沒有發(fā)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)模型的偏離，這表明我們目前對自然性原理（即新物理能標(biāo)相對于電弱能標(biāo)的差距；這一差距越大，說明理論越不自然）的認識出現(xiàn)了重大偏差，意味著我們對標(biāo)準(zhǔn)模型的認識、甚至對時空的認識存在巨大問題，需要作出深刻的根本性的改變，這也是具有重大意義的成果。
正因如此，國際高能物理學(xué)界普遍認為高精度的正負電子希格斯工廠是未來粒子物理實驗的首選。除CEPC外，這些希格斯工廠還包括歐洲的 FCC（未來環(huán)形對撞機）、CLIC（緊致對撞機）、可能被建設(shè)于日本的 ILC（國際直線對撞機），科學(xué)家對這些項目進行了大量科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)，也反映了對CEPC科學(xué)意義的高度共識。
CEPC造價約為360億人民幣，到底值不值？某種程度上說，粒子物理是現(xiàn)代物理學(xué)的近半壁江山。CEPC一旦建成，將成為全球粒子物理實驗的旗艦，使我國在該領(lǐng)域問鼎世界領(lǐng)先的地位。CEPC對我國的基礎(chǔ)科學(xué)水平有巨大的促進；其建設(shè)是一個歷史性的機遇。
從經(jīng)費上看，中國年均經(jīng)費超過20億的二級學(xué)科有很多。高能物理學(xué)界把資源集中起來，投入一個科學(xué)壽命長達幾十年的、最先進的項目，人年均經(jīng)費并沒有比其它領(lǐng)域多，不會擠占其他學(xué)科的資源。
SPPC關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研正在進行，有望帶動超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)變革性發(fā)展
趙先生問 “為了SPPC，我們真的有決心有毅力，投入Z的經(jīng)費，三十年全力以赴去做它的預(yù)研嗎？” 事實是：SPPC關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研已經(jīng)于數(shù)年前展開，且已經(jīng)取得重要進展。同時，這些技術(shù)具有巨大的應(yīng)用價值，我們在以后的數(shù)十年將全力以赴進行研發(fā)。
SPPC采用全環(huán)超導(dǎo)方案。高場超導(dǎo)磁體是SPPC建設(shè)的最大挑戰(zhàn)之一，也在很大程度上決定了SPPC的造價。為大幅降低造價、實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)利用，結(jié)合我國在鐵基超導(dǎo)上國際領(lǐng)先的研究基礎(chǔ)，我們首次提出基于鐵基超導(dǎo)的高場磁體技術(shù)路線。目標(biāo)是在十年的時間內(nèi)，將高溫超導(dǎo)材料的載流能力提升10倍（在24T強場下達到1000A/mm2水平）、價格壓低10倍（20元/kAm），達到大規(guī)模應(yīng)用水平。該目標(biāo)不僅可滿足SPPC的需求，也將對電力運輸、儲能、磁懸浮交通、高精度核磁譜儀（成像精度與磁場強度的平方成正比）、可控核聚變（能量密度與磁場強度的四次方成正比）等應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。性價比提高100倍的下一代先進超導(dǎo)技術(shù)，有望帶動一個產(chǎn)值至少數(shù)千億的新型高科技產(chǎn)業(yè)。為此，國內(nèi)多個頂級科研機構(gòu)和企業(yè)聯(lián)合成立了 “實用化高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)學(xué)研合作組” [1-2]，共同推進這一關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。
目前，在中科院先導(dǎo)專項、國家重點研發(fā)計劃以及自然科學(xué)基金等項目的大力支持下，合作組經(jīng)過三年的努力，已取得重要進展：百米級鐵基超導(dǎo)長線材載流性能已經(jīng)提高近四倍（相比于2016年水平），引領(lǐng)國際最高記錄；國際上首次完成鐵基超導(dǎo)線圈24T背景磁場下應(yīng)用的實驗驗證，證明了鐵基高場超導(dǎo)磁體路線的可行性 [3]，同時鐵基超導(dǎo)線材的預(yù)期造價有望比鈮三錫超導(dǎo)線材低4～5倍 [4]，與目前成本最低廉的鈮鈦超導(dǎo)線材相當(dāng)。
左-螺線管及跑道型鐵基超導(dǎo)實驗線圈；中-鐵基超導(dǎo)螺線管線圈24T下載流性能測試[3]；右-美國強場實驗室針對該工作的評論文章，贊同鐵基超導(dǎo)線材高場下優(yōu)異的載流性能，及極低的預(yù)期造價[4]
按鐵基超導(dǎo)方案及高溫超導(dǎo)合作組十年目標(biāo)參數(shù)計算，SPPC總計需要約3000噸超導(dǎo)材料，價格約為100億人民幣。以此初步估計SPPC的造價，應(yīng)該在500億人民幣左右。這個投入值不值？
在科學(xué)上，如果CEPC及其他物理實驗告訴我們SPPC能直接探測到新物理原理，SPPC的建設(shè)無疑是值的。
在技術(shù)上，SPPC為下一代先進超導(dǎo)技術(shù)提供了明確的應(yīng)用目標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)和市場需求，將大大加速該技術(shù)從實驗室到產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)化進程。當(dāng)年美國費米實驗室的Tevatron 超導(dǎo)加速器，推動基于鈮鈦技術(shù)的超導(dǎo)磁體實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，才有了今天超導(dǎo)核磁共振譜儀（MRI）的普及，全球民眾才享受到這種高科技產(chǎn)品的福利。事實上過去四十余年，正是由于以粒子加速器為首的大科學(xué)工程項目的全力推動，才有了今天為數(shù)不多但事關(guān)民眾健康及國家安全的超導(dǎo)及低溫產(chǎn)業(yè)。
為了最大化CEPC、SPPC對技術(shù)的促進作用，同時控制項目的造價，項目將追求90%以上的國產(chǎn)率。這將有效帶動先進超導(dǎo)等一系列高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，影響巨大而深遠。
大型粒子對撞機研究目標(biāo)與諾獎無關(guān)
趙先生問 “我們真的愿意投入X+ Y+ Z去送幾位西方人去斯德哥爾摩嗎？” 針對此問題，我們想說明以下幾點：
CEPC的研究從來沒有瞄準(zhǔn)多少人能獲諾獎。能更深入地理解我們生活其中的大自然的奧秘、在自己的國土上建設(shè)國際科學(xué)中心、發(fā)展世界頂尖的新技術(shù)、培養(yǎng)成千上萬的世界頂尖科技人才，與這些相比，再好的獎項都是浮云。
CEPC是中國提出的國際合作項目，目前CEPC團隊已有多個國家的研究人員參與其中。任何人、任何團隊基于CEPC所取得的成就、所獲得的獎項，我們都有足夠的胸懷去為此感到自豪。
大型基礎(chǔ)科學(xué)設(shè)施的建設(shè)可以具有良好的經(jīng)濟回報。歐洲核子研究中心（CERN）正在進行的大型強子對撞機高亮度升級（HL-LHC）項目，除科學(xué)上的收益之外，專業(yè)經(jīng)濟學(xué)家團隊測算其效益成本比約為1.8 [5]；其它加速器項目也有類似的研究，效益成本比都在2-3左右。考慮到該項目對基礎(chǔ)科學(xué)、人才教育及變革性高新技術(shù)發(fā)展所起的巨大推動作用，我們認為該項目的投入遠不止物超所值。
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