大對(duì)撞之12：中科院學(xué)者回應(yīng)斯坦福學(xué)者
- 編者按 -
對(duì)于中國(guó)是否應(yīng)該建造大對(duì)撞機(jī)的辯論，已經(jīng)成為“大對(duì)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(guó)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(guò)《知識(shí)分子》談了他對(duì)中國(guó)是否應(yīng)建超級(jí)對(duì)撞機(jī)的幾點(diǎn)意見(jiàn)。
12月19日，中國(guó)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(shí)分子》，就趙午提出的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了回應(yīng)。
關(guān)于這一議題，《知識(shí)分子》秉承公平、理性原則繼續(xù)為多方提供討論平臺(tái)。歡迎寄信editor@zhishifenzi.com，發(fā)表您的看法。
撰文 | 阮曼奇 徐慶金（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所）
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答“是否建造大型對(duì)撞機(jī)的XYZ問(wèn)題
“第一，我們先要自問(wèn)，為了SPPC（超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)），我們真的有決心有毅力，投入Z的經(jīng)費(fèi)，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(gè)隧道投入X元建造 CEPC（環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)）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(jià)；Y指SPPC的造價(jià)；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(wèn)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(gè)隧道。這種說(shuō)法沒(méi)有依據(jù)。
目前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型遠(yuǎn)不是一個(gè)終極理論，它存在大量未解之謎：它無(wú)法解釋引力、暴脹、暗物質(zhì)、暗能量等基礎(chǔ)現(xiàn)象，也無(wú)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(duì)稱性，等等。這些問(wèn)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(wàn)縷的聯(lián)系；而其性質(zhì)的精確測(cè)量是探索新物理的最好探針之一：測(cè)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(jì)報(bào)告指出的，如果我們將希格斯玻色子的性質(zhì)測(cè)量到1%的相對(duì)精度，就可以對(duì)10TeV能標(biāo)下的新物理進(jìn)行掃描；這一精度和可探索的能標(biāo)超過(guò)目前LHC（大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）一個(gè)數(shù)量級(jí)。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(shuō)，即使CEPC沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)模型的偏離，這表明我們目前對(duì)自然性原理（即新物理能標(biāo)相對(duì)于電弱能標(biāo)的差距；這一差距越大，說(shuō)明理論越不自然）的認(rèn)識(shí)出現(xiàn)了重大偏差，意味著我們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的認(rèn)識(shí)、甚至對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)存在巨大問(wèn)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(guó)際高能物理學(xué)界普遍認(rèn)為高精度的正負(fù)電子希格斯工廠是未來(lái)粒子物理實(shí)驗(yàn)的首選。除CEPC外，這些希格斯工廠還包括歐洲的 FCC（未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)）、CLIC（緊致對(duì)撞機(jī)）、可能被建設(shè)于日本的 ILC（國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)），科學(xué)家對(duì)這些項(xiàng)目進(jìn)行了大量科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)，也反映了對(duì)CEPC科學(xué)意義的高度共識(shí)。
CEPC造價(jià)約為360億人民幣，到底值不值？某種程度上說(shuō)，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(shí)驗(yàn)的旗艦，使我國(guó)在該領(lǐng)域問(wèn)鼎世界領(lǐng)先的地位。CEPC對(duì)我國(guó)的基礎(chǔ)科學(xué)水平有巨大的促進(jìn)；其建設(shè)是一個(gè)歷史性的機(jī)遇。
從經(jīng)費(fèi)上看，中國(guó)年均經(jīng)費(fèi)超過(guò)20億的二級(jí)學(xué)科有很多。高能物理學(xué)界把資源集中起來(lái)，投入一個(gè)科學(xué)壽命長(zhǎng)達(dá)幾十年的、最先進(jìn)的項(xiàng)目，人年均經(jīng)費(fèi)并沒(méi)有比其它領(lǐng)域多，不會(huì)擠占其他學(xué)科的資源。
SPPC關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研正在進(jìn)行，有望帶動(dòng)超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)變革性發(fā)展
趙先生問(wèn) “為了SPPC，我們真的有決心有毅力，投入Z的經(jīng)費(fèi)，三十年全力以赴去做它的預(yù)研嗎？” 事實(shí)是：SPPC關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研已經(jīng)于數(shù)年前展開(kāi)，且已經(jīng)取得重要進(jìn)展。同時(shí)，這些技術(shù)具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，我們?cè)谝院蟮臄?shù)十年將全力以赴進(jìn)行研發(fā)。
SPPC采用全環(huán)超導(dǎo)方案。高場(chǎng)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(jià)。為大幅降低造價(jià)、實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)利用，結(jié)合我國(guó)在鐵基超導(dǎo)上國(guó)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(chǎng)磁體技術(shù)路線。目標(biāo)是在十年的時(shí)間內(nèi)，將高溫超導(dǎo)材料的載流能力提升10倍（在24T強(qiáng)場(chǎng)下達(dá)到1000A/mm2水平）、價(jià)格壓低10倍（20元/kAm），達(dá)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(duì)電力運(yùn)輸、儲(chǔ)能、磁懸浮交通、高精度核磁譜儀（成像精度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比）、可控核聚變（能量密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的四次方成正比）等應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。性價(jià)比提高100倍的下一代先進(jìn)超導(dǎo)技術(shù)，有望帶動(dòng)一個(gè)產(chǎn)值至少數(shù)千億的新型高科技產(chǎn)業(yè)。為此，國(guó)內(nèi)多個(gè)頂級(jí)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)聯(lián)合成立了 “實(shí)用化高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)學(xué)研合作組” [1-2]，共同推進(jìn)這一關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。
目前，在中科院先導(dǎo)專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的大力支持下，合作組經(jīng)過(guò)三年的努力，已取得重要進(jìn)展：百米級(jí)鐵基超導(dǎo)長(zhǎng)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(guó)際最高記錄；國(guó)際上首次完成鐵基超導(dǎo)線圈24T背景磁場(chǎng)下應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了鐵基高場(chǎng)超導(dǎo)磁體路線的可行性 [3]，同時(shí)鐵基超導(dǎo)線材的預(yù)期造價(jià)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(shí)驗(yàn)線圈；中-鐵基超導(dǎo)螺線管線圈24T下載流性能測(cè)試[3]；右-美國(guó)強(qiáng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)該工作的評(píng)論文章，贊同鐵基超導(dǎo)線材高場(chǎng)下優(yōu)異的載流性能，及極低的預(yù)期造價(jià)[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(jì)算，SPPC總計(jì)需要約3000噸超導(dǎo)材料，價(jià)格約為100億人民幣。以此初步估計(jì)SPPC的造價(jià)，應(yīng)該在500億人民幣左右。這個(gè)投入值不值？
在科學(xué)上，如果CEPC及其他物理實(shí)驗(yàn)告訴我們SPPC能直接探測(cè)到新物理原理，SPPC的建設(shè)無(wú)疑是值的。
在技術(shù)上，SPPC為下一代先進(jìn)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(chǎng)需求，將大大加速該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)化進(jìn)程。當(dāng)年美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron 超導(dǎo)加速器，推動(dòng)基于鈮鈦技術(shù)的超導(dǎo)磁體實(shí)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(shí)上過(guò)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(xiàng)目的全力推動(dòng)，才有了今天為數(shù)不多但事關(guān)民眾健康及國(guó)家安全的超導(dǎo)及低溫產(chǎn)業(yè)。
為了最大化CEPC、SPPC對(duì)技術(shù)的促進(jìn)作用，同時(shí)控制項(xiàng)目的造價(jià)，項(xiàng)目將追求90%以上的國(guó)產(chǎn)率。這將有效帶動(dòng)先進(jìn)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(yuǎn)。
大型粒子對(duì)撞機(jī)研究目標(biāo)與諾獎(jiǎng)無(wú)關(guān)
趙先生問(wèn) “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(duì)此問(wèn)題，我們想說(shuō)明以下幾點(diǎn)：
CEPC的研究從來(lái)沒(méi)有瞄準(zhǔn)多少人能獲諾獎(jiǎng)。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(guó)土上建設(shè)國(guó)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(wàn)的世界頂尖科技人才，與這些相比，再好的獎(jiǎng)項(xiàng)都是浮云。
CEPC是中國(guó)提出的國(guó)際合作項(xiàng)目，目前CEPC團(tuán)隊(duì)已有多個(gè)國(guó)家的研究人員參與其中。任何人、任何團(tuán)隊(duì)基于CEPC所取得的成就、所獲得的獎(jiǎng)項(xiàng)，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(jì)回報(bào)。歐洲核子研究中心（CERN）正在進(jìn)行的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)高亮度升級(jí)（HL-LHC）項(xiàng)目，除科學(xué)上的收益之外，專業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)家團(tuán)隊(duì)測(cè)算其效益成本比約為1.8 [5]；其它加速器項(xiàng)目也有類似的研究，效益成本比都在2-3左右?？紤]到該項(xiàng)目對(duì)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(dòng)作用，我們認(rèn)為該項(xiàng)目的投入遠(yuǎn)不止物超所值。
個(gè)人簡(jiǎn)介
