中国建造巨型对撞机需要国际合作

自2012年欧洲核子研究中心（CERN）发现希格斯玻色子以来，一批中国科学家就开始努力说服中国政府与公众在中国建造下一代高能对撞机。这批科学家由中国科学院高能物理研究所所长王贻芳领导，并得到菲尔兹奖得主丘成桐的支持。

丘成桐与纳迪斯（Steve Nadis）详尽阐述了：这些科学家怎样下定决心，他们现有的基础如何，以及他们取得政府支持并在万里长城东端与太平洋海岸毗邻区域实现这一梦想的机会如何。

希格斯玻色子的发现是粒子物理学的转折点。它一方面完成了对标准理论的粒子谱的发现，使之成为迄今为止描述自然现象最为成功的理论；另一方面，它留下了一些有待回答的问题，比如中微子质量的起源、在引力作用下聚集在星系周围的不发光物质（即“暗物质”），还有希格斯玻色子质量与量子引力尺度（即所谓普朗克质量）之间17个数量级的悬殊差异。本书详细阐述了我们缘何确信标准理论只是一个更为完整结构的近似。这一结构将在更高的能量尺度以新粒子与新相互作用的形式展现出来，正如标准模型是法拉第与麦克斯韦的电动力学在更高能量尺度的完备实现。因此，我们需要将CERN的机器推向其高能极限，同时开始规划新机器和探索新的能量区域。

迄今所有讨论过的方案都基于一种“原子粉碎机”的现代版，即由奥地利物理学家图舍克（BrunoTouschek）于1960年代在意大利首先研发的“对撞机”。两束粒子在一根高度真空的管道中被加速到很高能量然后对头碰撞。这些粒子束可以是正负电子，如同图舍克最初的设计；也可以是正反质子，这种方案由CERN最先设计出来，并被应用于费米国家加速器实验室的Tevatron；还可以完全是质子，就像CERN的大型强子对撞机那样。根据爱因斯坦的公式M=E/c²，我们给予粒子束的所有能量在对撞过程中都可用来产生新粒子，从而使对撞机比老式的原子粉碎机强大得多。因为后者仅仅将高能粒子束射向固定靶，故而所产生粒子的质量仅仅正比于束流能量的平方根。

《从万里长城到巨型对撞机》一书展望了建造一条大型环形隧道的设想。这条隧道将安装一台正负电子对撞机，尔后再置入一台质子对撞机。至于其他项目，在日本建造一台正负电子直线对撞机（国际直线对撞机，ILC）的计划已经拿上台面。大约在高能所提出方案的同一时期，CERN也开始研究未来环形对撞机（FCC）的可能性，其隧道将在日内瓦湖下面穿过，并延伸到日内瓦与阿尔卑斯山之间的区域。

巨型对撞机的计划并非无中生有。过去50年里，在杰出华人物理学家、诺贝尔奖得主李政道、杨振宁和丁肇中的激励下，中国物理学取得巨大进步。本书对此做了引人入胜的记述。如今，中国粒子物理的中心位于北京的高能物理研究所。它最初由张文裕创建于1973年，目前由王贻芳领导，而且实现了与国际接轨。一支茁壮成长的团队已经形成。过去十年中，在中国开展的粒子物理实验在中微子振荡和强作用介子物理方面做出了世界一流的结果。高能所也参与了大科学装置的建造。其中，高能所前所长陈和生领导了北京正负电子对撞机的升级、散裂中子源以及随后的基于加速器的核裂变等雄心勃勃的项目。

本书有力论证了，中国物理学家与工程师已做好建造大型科学装置的准备，并与欧洲和美国一同参与高能竞赛。高能所创始人张文裕在1970年代就提议建造一台可与SLAC和CERN的机器相竞争的50吉电子伏质子加速器，而这条道路如今对于中国愈加光明。

高能物理的大事业需要国际合作（不过天文学、宇宙学以及如今的生物科学都莫不如此），本书很好地阐明了其中的理由。我想在此以我个人的观点作小结，它们来自我关于CERN大型强子对撞机（LHC）以及相关探测器的工作经验。

我们需要国际合作，至少有两个原因：其一是财政资源，其二是人力资源，或者更一般地说，实践经验。当然，这两者关系密切。对于对撞机的非东道主国家，他们的财政贡献决定了该国有多少科学家与工程师参与该项目，也决定了在多大程度上可以将其认为是属于他们、让他们投入精力和职业生涯从事研究的项目。

由于此类项目的规模巨大，即使像中国这样的大国也很难独立资助，因此整合国外资源实际上是必须的。此外，资源共享也有助于降低建造这样一台高级复杂设备的风险，同时也保证了，在建设过程遇到困难时可以得到国际支持（在此进程中肯定会遇到困难）。国际资源也将帮助解决另一个问题，即其他科学领域会感到政府将注意力完全集中于一个项目而产生反对意见。如丘成桐和纳迪斯所言，“水涨船高”，政府对科学的关注从长远来看对所有领域都有好处。不过，科学界内部的反对意见对这一事业可能会是致命的，如同美国取消超导超级对撞机（SSC）那样。

仅从建设、操作该设备与探测器所需的劳动力来看，人力资源的共享不可或缺。因为所需人力显然超过了即使是中国这样一个大国的召集能力，不仅从人数上，更重要地，从该事业所需的人才、技能和创新能力来看，都是如此。

而该事业所需的实践经验和尖端技术则是人力资源共享的另一个方面。这一项目在其所有方面都需要配备最好的技术，单独一个国家无法完全胜任。特别是在巨型对撞机的质子对撞阶段，高场强超导磁铁、质子束流动力学和控制等技术目前都集中在世界上两大实验室，即欧洲的CERN和美国的费米国家加速器实验室。如果没有与这两个已有实验室的紧密联系，在一个全新的实验室里重复这些技术将是相当困难的。

丘成桐与纳迪斯描绘出了未来数十年内将会出现的情景。中国一旦能够进入高能量前沿的国际竞赛，必将带给世界绝对的、最受欢迎的新鲜事物。

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