全球9位顶级物理学家：中国到底该不该造大型粒子对撞机？｜独家

　　

　　 编者按： 自引力波和量子通讯之后，大型粒子对撞机在近日也成为了热门“物理词汇”之一。

　　 简单来说，粒子对撞机就是一种设计让高能粒子相互碰撞的机器，通常为环形。

　　 就中国是否应该建造全球最大的粒子对撞机这一问题，科学家们展开了激烈的辩论，著名数学家、菲尔兹奖获得者丘成桐和中科院高能所所长王贻芳表示支持，而诺贝尔奖获得者杨振宁则持反对意见。

　　 为了了解更多科学家们的观点，以达到兼听则明，DT君对 全球 9 名顶尖科学家 进行了采访，这些科学家们来自牛津大学、剑桥大学、马克思·普朗克研究所、慕尼黑大学、加州理工学院等著名高校和研究所，其中多数人的研究领域都集中于高能物理。

　　 根据采访结果， 多数科学家都对建造大型粒子对撞机持支持态度 ，认为“ 大型粒子对撞机是探索高能物理的唯一直接途径 ”。

　　 关于项目本身的高额费用，科学家们基本都认为从长期来看将利大于弊―― 在提高建造国自身的整体科研实力、提升国际科研地位的同时还能推动经济的发展。

　　 此外，部分科学家也提出如此预算庞大的项目也可以考虑国际合作（类似欧洲的大型强子对撞机，即LHC项目），联合多个国家共同投资。

　　 以下为整理后的精彩内容。

　　

　　 牛津大学物理系 Daniela Bortoletto教授

　　 大型粒子对撞机不可取代，利大于弊，希格斯玻色子的研究非常重要，中国如建成将从各方面受益匪浅。

　　 国际高能物理学界非常关注中国关于建造大型对撞机的讨论。

环形正负电子对撞机（circularelectron positron collider ，CEPC）拥有50-70千米长的加速轨道，使得电子和正电子对撞能量达到2400-2500亿电子伏。CEPC堪称希格斯工厂，因为它可以制造百万计的希格斯玻色子，科学家可以对这种新发现基本粒子的特性进行深入研究。

该加速轨道还能用作超级质子对撞机（Super Proton-Proton Collider，SPPC）的组成部分，届时能级将达到70万亿电子伏，是欧洲大型强子对撞机（LHC）的5倍。

　　由中科院高能物理研究所所长王贻芳院士牵头的国际研究团队已经完成了CEPC的概念设计报告。 CEPC是中国目前为止最具雄心的科研项目之一，项目的进展之快让我印象深刻。

　　CEPC对于研究新发现的希格斯玻色子至关重要， 而希格斯玻色子中藏着所有其他基本粒子如何获得质量的秘密，这就是我认为的建造大型粒子对撞机的最根本价值。

欧洲核子研究组织（CERN）的超级质子同步加速器（SuperProton Synchrotron SPS）在1983年发现W和Z玻色子，并在随后使用大型正负电子对撞机（LargeElectron�Positron Collider，LEP）对其进行了详细研究。W和Z玻色子对应于核裂变时的弱作用力，它们的发现极大丰富了人类在高能物理领域的知识。

　　未来的LEP将允许科学家们对希格斯玻色子进行更为深入的研究。 而仅就CEPC而言，它可以让制造出来的希格斯玻色子免于衰变效应的干扰。 此外，CEPC的轻子对撞机可以对希格斯玻色子的衰变特性（例如，希格斯玻色子衰变为粲夸克（Charmquark））进行更准确研究， 而这项工作对于现有的欧洲LHC是很困难的。

　　CEPC还可以用来研究隐希格斯衰变――希格斯玻色子衰变为稳定的中性粒子，包括理论预期的暗物质。 通过对希格斯玻色子的研究，人类有可能揭开宇宙暗物质之谜。

　　CEPC是一项富有挑战性的工程，但是它也是中国粒子物理学研究跻身世界一流水平的绝佳机会。该大科学工程需要大量的拨款支付基建和人员费用，最近出炉的一项关于欧洲大型强子对撞机（LHC）的投入产出分析报告指出， 大型强子对撞机的回报远超投入。 此外， 该大科学工程还有望吸引全球的顶级科学家来华工作，共同解开希格斯玻色子的秘密。

　　

　　 慕尼黑大学物理系 Otmar Biebel 教授

　　 以国际合作方式建造大型粒子对撞机，利大于弊毋庸置疑。

　　 关于这么一个预算规模如此之大的项目到底值不值得，应该从以下三个方面进行考虑。

• 关于粒子物理的研究

继希格斯玻色子被发现以后，粒子物理在理解基本粒子的相互作用方面取得了一个又一个里程碑式的成果。如今，对于标准模型来说不可或缺的粒子都被找到了。但是粒子物理学距离完美还去之甚远。

　　时至今日，我们还无法解释宇宙中质量比重相当大（大约21%）的暗物质做出解释，而这些暗物质的性质与标准模型中的已知粒子（宇宙质量比重约4%）完全不同。因此， 用标准模型或者标准模型的简单扩展版来解释暗物质的性质很可能是行不通的。

目前已经有不少新理论被提出，其中接受度最高的是所谓的超对称理论（Supersymmetry ，缩写为SUSY）。根据超对称理论与标准模型“自然结合”后的计算结果，不少超对称新粒子的质量在1万亿电子伏特，欧洲LHC的能量上限刚刚可以达到这个范围。

　　 然而，超对称理论和标准模型的结合方式很可能并非“自然”，在这种情况下这些新粒子的质量将远远超过1万亿电子伏特，LHC对此鞭长莫及。

　　因此， 新建的30万亿、甚至是60万亿电子伏特的粒子对撞机将大大拓宽科学家们的搜索范围。 造这么一个对撞机需要周长大约为50公里的粒子加速轨道，同时配以一个类似LHC的低磁场（约8.5特斯拉），或者一个高磁场（约20特斯拉）。 而中国计划建造的大型粒子对撞机的性能甚至可能超过以上的数据。

　　由于高能物理目前的探索进入的是一片完全未知的领域， 建成后的大型粒子对撞机并不能保证新粒子的发现，但无论如何，我认为这笔投资将是利大于弊的 ，原因如下。

• 关于建造费用

100亿美元无论怎么说都是一笔巨款。但如若考虑到整个投资过程将长达19年（2021-2040），这么一来投资量就变成了约5300万美元一年。

　　如果我没有弄错的话，德国一年在高能粒子物理研究上的投入也将近这个数字（包括了在CERN、DESY（德国电子加速器）以及各大学的投入）。因此我个人的感觉是， 5300万美元对于一个蓬勃发展中的中国来说，算不上是一个“沉重”的负担 。

• 关于建造方式本身

　　 如果中国准备将大型粒子对撞机变成一个纯粹的“国家项目”，那么我可能会和杨振宁教授一样，持反对意见，因为这么做达不到提升中国整体研发实力的目的。

　　 我个人，认为中国的大型粒子对撞机项目应该成为一个国际项目，让更多的国家和更多的科学家参与其中。 这将有利于中国引入各种先进技术，比如如何建造大型超导强磁场、如何建造高精度粒子探测器、如何搭建高性能计算系统以完成高仿真度的高能粒子对撞模拟，等等。

这一切只有当大型粒子对撞机变成一个国际项目时才有可能，所有参与国将投资参与到建筑物、加速轨道和探测器的建设中，而中国将从这些投资中获得回报，如同LHC项目中收益的欧洲、美国和其他参与国一样。

关于LHC项目中的投资回报情况，以下两篇科技文献做了比较详细的研究：

https://arxiv.org/abs/1507.05638

https://arxiv.org/abs/1511.05477

　　

　　 加州理工学院物理系 Harvey Newman教授

　　 自然界的奥秘只有通过实验来完成，大型粒子对撞机提供了这种直接看到结果的方式。

在我看来，中国规划的大型粒子对撞机将是高能物理研究的又一里程碑，它将打开一扇观察微观世界的窗口，以便于人类更好地理解构成宇宙的最基本物质，自然界的各种作用力，甚至去了解宇宙的最初形态。

　　 借助这一项目，中国的高能物理研究水平将一举跃居世界前列。

同之前建造的各类对撞机相比，中国的大型对撞机可以达到前所未有的能级范围。在希格斯玻色子发现之后，高能物理学界（包括我在内）已经迫不及待地要揭开微观世界的更多秘密，建立超越“标准模型”（Standard Model）的新理论。

　　然而，真实的世界要比任何的理论模型“狡猾”（subtle）得多，科学家们需要新一代的的大型粒子对撞机通过实验来直接验证理论结果。因此， 现在正是建造新一代大型粒子对撞机的大好时机，中国不应当错过这个机会。

　　 慕尼黑大学物理系 Ferenc Krausz教授

　　 10亿美金以上的仪器应该通过国际合作共同投资完成。

我是激光物理学家，并不是高能物理领域的专家，因此，我很难评价中国规划的大型对撞机是否能取得预期的科学成果，也很难评价该项目是否值得投入如此大量的资源。

　　不过，我觉得有一个意见应该是值得参考的。我认为， 任何预算超过10亿美元的大科学装置都应当采取“多国共建，分摊经费”的模式。 我个人认为， 如果只有中国承担巨额投资来建造某个大科学装置，那么决策时应该慎重一些。

　　 加拿大阿尔伯塔大学物理系 Douglas M. Gingrich教授

　　 除了粒子对撞机以外，其他高能物理的研究方式适用范围有限，若中国决定建造，我乐于尽绵薄之力。

　　我认为， 中国建造大型对撞机是个极为明智的选择。 该项目不仅可以刺激中国经济，还可以对中国高科技研发起到推动作用，将有助于中国确立顶级科学强国的地位。

当然，该项目的预算比较庞大，但为了获得宝贵的基础科学知识，为了将人类的宝贵品质――好奇心发挥到极致，不应怯于付出这些代价。

　　关于建造费用， 中国其实没有必要独自承担这笔开支，此类大型项目已有很多国际科学合作的成功先例。

高能物理领域确实有其他的研究方法，但是很多问题目前只有更大的粒子对撞机才能从正面直接解答。考虑到对撞机的科研价值，价格不应成为阻碍立项的理由。

如果中国决定建造大型粒子对撞机，我非常乐意对于建造过程以及建成后科学实验提供各类帮助。

　　 剑桥大学天文物理学家 Didier Queloz教授

　　 一切都是优先级的问题，但是既然中国可以建造大型射电望远镜，那么粒子对撞机也不是不能考虑。

尽管我在高能物理方面的造诣不足以对大型粒子对撞机的具体意义做出太多评论，但就我个人来看，一切大科学装置是否立项都涉及优先级的考虑。而大型粒子对撞机装置本身能够像其他大科学装置一样对中国的高科技研发起到推动作用，这点事毋庸置疑的。

中国不久前在贵州建成了大型射电天文望远镜FAST，因此同为大科学装置的大型对撞机也并非不能考虑。

　　 德国马克思普朗克研究所 Christoph Keitel 教授

　　我认为，高能物理学界需要研发效能更高的加速器，例如激光粒子加速器就很有潜力。欧洲大型强子对撞机（LHC）投入产出比已经相当不错。 对于“中国规划中的对撞机获得的成果能显著超越欧洲大型强子对撞机”的说法，我持谨慎态度。

　　 慕尼黑大学物理系 Viatcheslav Mukhanov 教授

　　 粒子对撞机不可取代，高能物理研究没有其他途径，中国如建成最终将利大于弊。

　　我认为，中国若有经济实力建造100-120万亿电子伏能级的大型粒子对撞机，他们绝不可以错失良机。 跟杨振宁教授的观点不同，我认为粒子对撞机是探索高能物理领域奥秘的唯一出路。就我个人而言，建造下一代大型粒子对撞机的必要性毋庸置疑。

无论是天体物理学还是宇宙学的研究，都不能取代对撞机成为高能基础研究的工具。除了科学价值本身，建造顶级粒子对撞机这样一个超级工程可以极大提升中国的国际影响力，并推动中国在高科技领域的发展。

　　人类绝不应当停止探索自然的脚步。 中国若批准建立大型对撞机，将是全球高能物理界之件幸事。 中国人民也将从对撞机的建设中获得各种直接和间接的利益，从长期来看， 对撞机是非常划算的投资，最终的产出将超过投入。

　　 加拿大阿尔伯塔大学物理系 Roger Moore 教授

　　 建造比LHC能量更高的大型粒子对撞机完全有必要，而且划得来。

如果仅仅是再造一个CERN的强子对撞机的话，那么我认为是完全没有必要的。

然而，现在国际上更多讨论的是LHC的后继者，你也可以叫它VLHC（Very Large Hadron Collider）。LVHC在能量和光度上将有着巨大的提升，因此这样一台机器在高能物理的研究上将具有非常大的潜力。

自希格斯波色子被发现之后，我们主要的研究工作之一就是发现暗物质。由于LHC目前的实验结果一无所获，大家开始担心是不是LHC的能量达不到创造暗物质的阈值，这样一来，暗物质相关的物理研究（如超对称等）就无法开展下去了。

　　 由于中国计划建造的这台VLHC的能量将远高于LHC，因此它的建成将可能对基础物理研究带来巨大的推动作用。

虽然到底需要多少能量才能创造出暗物质目前没有定论，但是又不少比较靠谱的说法是这个阈值在LHC能提供的最大能量附近，或者稍稍高出一些。由于未来的LHC实验将只会提高光度而非能量，因此如果LHC无法带给我们答案，这个问题将会成为目前无法求证的一大悬案。

在这个背景下，中国的这台对撞能量更高的对撞机将一举把中国推到的全球高能物理的最前线，如同LHC和CERN一样，成为全球科研界的焦点。

至于VLHC本身的意义，它是探索宇宙中大约占25%的“高能物质”的唯一途径。当然，有一些其他的办法可以对这一领域进行所谓的“间接探索”，比如日本在建中的Super-Bfactory。

但是所有的间接方法，都只能对于高能世界给出一些建议，换句话说，要真正得出一个结论，就只能直接进入这个高能领域。

最好的例子就是，CERN在上世纪70年代的超级质子同步加速器（SSP）实验证实中微子通过Z玻色子产生作用力。虽然早有相关作用机理的理论，但是我们直到看到实验结果后才这正证实了这一点。发现玻色子W和Z玻色子这一研究成果最终获得了诺贝尔奖。

　　 而发现暗物质的意义将更加重大，无论是希格斯玻色子还是W、Z玻色子都无法与之比拟。 暗物质的发现将可能让我们在最大程度上重新理解我们自1974年标准模型（Standard Model）建立以来的基础物理学

除了暗物质以外，希格斯玻色子的质量之谜也是需要解决的一大问题，事实上，解释希格斯玻色子质量的全新物理学的意义要远高于发现其本身。而如果LHC完成不了，那么大家也会将希望寄予后续的VLHC上。

　　 类似，VLHC这样的科学项目将具有巨大的国际影响力，并吸引全球顶尖的科研人员，而对于项目所在地，“主场优势”不可低估。

就拿LHC来说，CERN周围紧密团结了一大批顶尖的高科技制造商，为LHC提供全球一流的电子仪器、工程服务以及其他相关服务。

对于已经成为全球领先的电子仪器制造国的中国来说，建成一个VLHC显然可以产生相同的效应。

　　VLHC的造价无疑是庞大的， 然而却可能带来发现暗物质或是解释希格斯玻色子的轻质量等意义重大的回报 ，因此在我看来，建造一个VLHC是完全有必要并且肯定划得来的。

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