32位在美物理學者聯名：中國建造希格斯工廠的黃金機遇

知識 10-02

希格斯粒子對撞事件

撰文 | 馬宏等（全體簽名者詳見文末）

責編| 李曉明

編者按：

9月28日，《知識分子》編輯部收到匹茲堡大學物理及天文系教授韓濤的郵件，來信附有32位在美國工作的物理學者聯名撰寫的一篇文章，表達了對中國今天建大型對撞機的想法，並希望在《知識分子》平台上儘快發表。編輯部就此信件逐一與聯署的32位物理學者聯繫求證，截至發稿前，已有31位回信確認文章系本人真實意思表達，且參與了署名。值得注意的是，32位簽名學者支持建設百億預算的環形對撞機，同時認為二期工程高能質子對撞機不在目前的討論之列。

自今年9月4日，楊振寧先生投書《知識分子》，第一次公開就「中國今天是否應該建造超大對撞機」發表意見後，第二日《知識分子》刊發了提議建造的中科院高能物理研究所所長王貽芳的回應文章，由此引發科技界較大範圍的討論延續至今，熱度不減，由此也創下了中國科學史的記錄——中國科學的重大問題第一次公開、公平、公正討論。

在連續刊發多篇討論文章後，《知識分子》秉持客觀中立的態度，尊重原作者意見的充分表達，繼續刊發32位支持建造的在美物理學者的聯署文章。

我們是在美國工作的華人高能物理學者, 在大學或者研究機構從事一線的高能物理的科研和教學。我們的研究方向包括高能物理理論，實驗，和加速器設計。我們非常關注近來國內對「中國今天是否要建大型對撞機」的熱烈討論。我們對國內的科技進步教育發展十分關心，而且目前的論題恰恰是我們自己熟悉的專業，所以我們覺得應該對此從專業的角度提供一些分析和意見。

（一）希格斯粒子及高能物理的重大挑戰

2012年，物理學家在歐洲核子中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）上發現了希格斯粒子。這是高能物理一個劃時代的發現。它的發現是六十年代提出的希格斯機制、七十年代提出的粒子物理的「標準模型」理論的巨大成功，標誌著人類對大自然的基本規律的理解又往前邁進了一大步。希格斯粒子的發現也是幾十年來無數高能物理的理論家和實驗家精誠合作的結果。

但與此同時，希格斯粒子本身也帶來了全新的困惑和疑團。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的特性。它是其他基本粒子的質量起源，然而我們卻不知道它的組成，和它自身質量的來源。同時，希格斯粒子和自己的相互作用對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在宇宙中的物質之所以多於反物質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窗口和進一步解決暗物質等多個重大問題的鑰匙。

這些都是物理界當前面臨的最重要和最緊迫的問題，也是高能物理學進一步發展必須迎接的挑戰和解決的問題。毋庸置疑，對這些問題的深入研究是尋求物理學上新的突破的珍貴契機，可以引導我們尋找更深層次的物理學規律。高能物理學界從理論上提出過不少可能的對這些問題的解決方案，例如超對稱，額外空間維度，和複合希格斯粒子模型，等等。但是如果沒有實驗的證據，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這其中某一種猜想。其物理目的是尋找這些重大問題的真正答案和線索，從而進一步深化我們對自然之道的理解。

（二）環形正負電子對撞機（CEPC）希格斯工廠

自1911年盧瑟福的「碰撞」實驗揭示了原子結構以來，粒子加速器以及高能對撞機就是探索深層微觀世界、發現新物理現象的重要工具，產生了很多革命性的成果，載入了科學發展的史冊。歐洲核子中心的大型強子對撞機把人類對自然界的探索推進到了微觀世界約10-9納米的尺度（大致是頭髮絲粗細的百萬億分之一）！如今，在高能物理髮展的關鍵時刻，我們更加需要新的對撞機來實現新的突破。

對撞機是一種特殊的粒子加速器，它能把電子，質子或著它們的反粒子加速到空前的高能量，然後使它們進行對撞。實驗物理家就是通過對這些猛烈碰撞的探測和分析來探索微觀世界的物理規律。由於研究碰撞的細節需要大型的和複雜的探測器，如今的高能物理實驗通常是不可能由幾個人或幾十個人來完成的，它一般由上千人的大型國際合作組進行。因此對撞機會吸引世界上大量的頂尖物理學家和科技人員。它提供了一個交流平台，自然會促進東道國的科學，技術和製造的發展。歐洲核子中心就是一個典型的例子。對撞機對高能物理的發展就像望遠鏡對天體物理的發展一樣是個必不可缺的工具。

五十年來，任何一個新的基本粒子的發現，包括針對粲夸克、奇夸克、底夸克及頂夸克進行的深入研究，都帶來了豐富的科研成果，引導了高能物理學的發展。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。對一個粒子的性質的精密測量往往會指向下一個新物理的能標。一個典型的例子就是頂夸克的質量。早在頂夸克發現之前，對於標準模型參數的精確測量已經可以告訴我們頂夸克質量的大致範圍。這就如同十九世紀天文學家通過對天王星的軌道攝動而預測一顆未知行星的質量和軌道並最終觀測到了海王星。

希格斯粒子作為最新發現的而又是最為神秘的粒子，建造仔細研究它的性質的希格斯工廠在高能物理界勢在必行。事實上，在希格斯粒子的發現後，國際上已經展開了這方面的熱烈討論。目前，中國高能物理學家提出的「環形正負電子對撞機（CEPC）」就是最理想的希格斯工廠。對撞機周長大約50-100公里，能把正負電子加速到兩千五百億電子伏的能量，這是大量產生希格斯粒子的最佳能量。建成後，CEPC可以在十年的時間裡產生約一百萬個希格斯粒子。雖然歐洲大型強子對撞機LHC可以產生更多的希格斯粒子，但是強子作為複合粒子，主要參與強相互作用，碰撞時同時產生的巨大「背景噪音」使得我們難以對這些希格斯粒子進行精密的測量。計算表明，在希格斯工廠這樣的理想實驗環境下對這些希格斯粒子的深入研究可以把我們對其許多性質的測量精度提高到LHC的10倍以上，從而探索粒子物理中懸而未決的重大問題，包括質量起源問題、希格斯本身動力學問題等。更進一步，任何可能測量到的希格斯粒子的性質和標準模型預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題的道路上的最關鍵一步。它還可以降低運行能量，成為Z工廠，產生出上百億的Z粒子，進一步精確檢驗標準模型並尋找新物理現象的蛛絲馬跡。CEPC的任務完成後，環形對撞機可以升級為高能質子對撞機（SppC），預計比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的建造與否要取決於LHC和CEPC的結果，技術的成熟程度和未來資金的情況。關於SppC的物理討論，超出了我們目前考慮的範圍。

（三）領軍國際高能物理

美國從八十年代開始熱烈討論「超導超級對撞機（SSC）」，目的就是發現和研究希格斯粒子。當時，全世界上千名科學家和工程技術人員雲集美國，學術氣氛十分活躍。但最後由於種種政治上的原因，美國政府在1993年宣布終止SSC計劃。這個決定對美國高能物理學是一場災難，而且對整個美國的基礎科學研究帶來的負面影響至今仍難以消除。與此同時，1994年，歐洲核子中心CERN批准了建造LHC的計劃，由此高能物理研究中心從美國移到歐洲。2012年，LHC成功地發現了希格斯粒子，登上了高能物理新的高峰。希格斯粒子的發現當然是多國科學家共同合作的結果，其中包括許多海內外的中國科研人員。展望未來，有LHC運行的歐洲核子中心在今後十幾年中仍將是世界高能物理無可爭議的中心。

現在，中國有一個極好的機遇和時機開展大對撞機的建設。在希格斯粒子發現以後，進一步研究其性質成了眾所周知的緊迫問題。歐洲核子中心也正在考慮一個類似的希格斯工廠的建設方案。然而，它目前的大型強子對撞機將要持續運行到2030年後。在此之前，在歐洲核子中心建設新的大型對撞機還不現實。美國目前的主要精力放在中微子實驗和支持歐洲大型強子對撞機的工作，還未能夠考慮未來的大型對撞機計劃。日本正在考慮建設高能直線加速器（ILC），其物理目標同CEPC相輔相成，並且和中國作決定的時間段差不多。但是CEPC在研究希格斯粒子上有優勢，如果及時啟動可以和ILC有力地競爭。所以，從現在算起，中國有大致十到十五年的黃金時間。考慮到建設這類大項目的周期，現在國內科學家們正在開展預研，準備2022年左右建設。高能物理實驗規模大，時間長，投入多。這決定了這個領域的實驗項目有一定的獨佔性。中國如果可以抓住機遇開始這個工程，可以一舉奠定在國際高能物理上的領軍地位，並保持幾十年。

自八十年代改革開放以來, 中國已經從一個貧窮的國家發展成為了第二大經濟大國，創造了世界經濟發展的奇蹟。雖然中國的人均水平還遠低於發達的國家, 但中國政府己布局下一步的發展藍圖, 加強創新型發展, 加強國家對科技和基礎研究投入能力, 開始著手建設大規模科學工程和國家實驗室。這是非常明智的選擇。我們相信這將成為中國科技發展的新引擎。建造CEPC對中國而言將是一個規模空前的基礎科學項目。如高能所王貽芳所長所說，這個項目的建設估計需要從 2022年至 2032 年每年大致投入三十億人民幣的資金, 大約為國家每年對基礎研究的投入的幾個百分點。令人鼓舞的是，中國對基礎科研的投入的比重正在逐年增加，有可能接近或趕上國際上發達國家的水平。從目前公布的數據來看，CEPC這樣的項目並沒有超出中國的能力範圍。我們相信中國有能力，也應該把握住這個難得的機遇，擔當起探索希格斯粒子奧秘的重任。

（四）基礎科學的投入與回報

基礎科學研究是人類對自然的好奇心驅使的，並不是簡單地建立在有沒有實際應用為初衷。縱觀人類五千年文明的歷史，這種探索大自然的精神正是我們社會不斷發展前進的動力和源泉。由基礎科學研究的結果而創造的工業技術革命和飛躍的例子數不勝數。一百年前，愛因斯坦創立了廣義相對論並得到了實驗的證實。如果沒有這個理論的精確計算，GPS就無法找到你想要去的地址。如果沒有量子理論，就無法想像我們周圍的各種電子器件和智能手機。高能物理研究是基礎科學及高技術研究中具有標誌性的一個重大領域, 採用的手段覆蓋領域寬廣，並會提出新的要求，因此常常會催生技術上的革命：加速器不僅僅是我們探索自然的一種工具，對其他物理學科、生物學研究、臨床醫學等都有直接應用。其實世界上有幾萬台的小型加速器在各行各業裡面工作，用質子和快中子源治療腫瘤就是一例。另外，我們天天離不開的萬維網，它當時就是為了服務於眾多的世界各地的合作組，及時得到大量的高能物理實驗數據，在歐洲核子中心CERN應運而生。它極大地改變了每個人的日常生活和交流方式，為社會創造了巨大的財富。

基礎科學的投入還是一個非常有效的培養人才的方式。第一個超導對撞機是在美國費米國家加速器實驗室的Tevatron。在那裡發現了頂夸克，並得到了很多其它重要物理結果。同時費米實驗室作為一個科學中心，培養出來上千的博士生，訓練了大學生，並為中學生做科學啟蒙。現在CERN的大型對撞機LHC，發現了希格斯粒子，繼續探索自然界更深層的奧秘。僅LHC 的CMS一個實驗就已經培養出來約1750名博士，對科學、工業、經濟和社會貢獻極大。另一個LHC上的大型實驗ATLAS的成績類似。CERN有2250多名在職員工、27個成員及附屬成員國家，齊心協力為國際化的科學城做貢獻。

中國在過去三十年對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電子對撞機和大亞灣中微子實驗及其重大成果，並建成了同步輻射光源、散裂中子源等大科學平台為全國的科技界服務, 並且培養了許多有創新能力的科學及相關技術的頂尖人才。中國目前提出的希格斯工廠（CEPC）用來詳細研究希格斯粒子、Z粒子的性質。這將是高能物理研究的必經之路，具有極高的科學價值。同時它將成為中國在這樣一個重大的、有引領作用的科學領域作出傑出貢獻的平台，帶動國內的科技進步，使一些重要產品實現國產化達到世界先進水平，形成一個國際科學與技術中心並促進國際雙向交流和合作，吸引大批高端人才參加工作。CEPC這樣的大科學項目還有助於提高整個社會對科學的關注，對於學科教育事業的發展會有極其正面的影響。應當指出的是，建造CEPC是個非常大的工程項目，只有高能物理學家的參與是遠遠不夠的。其他領域比如土木工程，機械工程，材料工程，電子工程和大規模計算的專家都會找到他們的用武之地。在整個建造過程和建成之後的運行，每年能吸引數千名國際上的科學技術人員來參與工作。他們的到來會極大的刺激周邊的經濟發展，並同時大大提高中國整個社會和國家的形象及國際影響。

在過去的幾年中，CEPC已經成為了海外高能物理學者，特別是年輕人關注的焦點。CEPC項目付諸實施後，作為高能物理的中心，必將吸引更多海外人才回國效力。

（五）結語：中國建造大型對撞機的機遇

目前，中國高能物理研究正面臨著一大機遇。北京正負電子對撞機從九十年代開始運行。從那時起，中國的實驗高能物理從無到有、由弱變強，已經取得了舉世矚目的成績。中國新一代的高能物理學家已有能力來承擔大型的國際項目。中國不僅有基礎、有人才來開展建設研究，同時國際合作也日益密切。希格斯工廠這個項目得到了眾多國際頂尖的理論、實驗物理學家的支持。縱觀國際高能物理的環境，中國考慮建設大型對撞機的時機已經成熟。

大科學裝置的預研、建設與投入，符合中華民族偉大復興的步伐。希格斯工廠CEPC的建造及其科學成果將是中國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。作為在海外工作的高能物理學者，我們為中國能夠在這個領域中領跑世界，為基礎物理作出貢獻感到由衷的激動。為了這個目標，我們願意在各個方面傾盡全力作出我們的貢獻。

本文作者

馬宏，資深教授，布魯克海文國家實驗室物理系

王連濤，教授，芝加哥大學物理系

王新年，教授，勞倫斯伯克利國家實驗室

葉競波，教授，南衛理公會大學物理系

白楊, 助理教授，威斯康辛大學麥迪遜分校物理系

劉鐵輝，scientist-Ⅰ，費米國家加速器實驗室

朱人元，資深研究員，加州理工學院物理系

朱俊傑，助理教授，密歇根大學物理系

李彥頡，助理教授，麻省理工學院

李威，助理教授，萊斯大學物理及天文系

蘇棟，教授， SLAC國家加速器實驗室

蘇淑芳，教授，亞利桑那大學物理系

范吉吉，助理教授，布朗大學物理系

張錦龍，物理學家，阿貢國家實驗室

周冰, 教授，密歇根大學物理系

楊重凱，資深科學家，SLAC國家加速器實驗室

陳春暉，副教授，愛荷華州立大學

羅亦安，副教授，西北大學物理及天文學系, 阿貢國家實驗室高能物理所

周為仁，國際未來加速器委員會束流動力學組

婁辛丑，教授，德克薩斯大學達拉斯分校物理系

郁海波，助理教授，加州大學河濱分校物理及天文系

鄭信佳，教授，加州大學戴維斯分校物理系

姚為民，勞倫斯伯克利國家實驗室

高永生，助理教授，加州州立大學弗雷斯諾分校物理系

高鍾，教授，奧克拉荷馬大學物理系

錢劍明，教授，密歇根大學物理系

袁簡鵬，教授，密歇根州立大學物理及天文系

崔彥謳，助理教授，加州大學河濱分校物理及天文系

韓濤，教授，匹茲堡大學物理及天文系

蔡雲海，Department Head，SLAC 國家加速器實驗室

潘以彬, 副教授，威斯康辛大學麥迪遜分校物理系

邱建偉，資深科學家，布魯克海文國家實驗室（經多次聯繫，截至發稿前尚未收到本人確認簽名回復）

對撞機的對話系列

楊振寧：中國今天不宜建造超大對撞機 | 獨家

2016-09-04

王貽芳：中國今天應該建造大型對撞機 | 獨家

2016-09-05

答王貽芳所長：高能所更該做什麼？

2016-09-07 王孟源

人民日報評論：期待更多科學「對撞」

2016-09-09 柏木釘

歡迎個人轉發到朋友圈，

公眾號、報刊等轉載請聯繫授權

TAG:知識分子 |

您可能感興趣

※在哈薩克非法務工的150名中國籍公民被捕
※2016中國美術學院
※中國、美國、歐洲軍工探秘（深度研究）
※CAN美圖 |新中國航空工業創建65周年國產飛機影像徵集作品選登
※中國京劇表演藝術家孫萍獲美查普曼大學榮譽博士學位
※彭小瑜：中世紀歐洲大學與中國科舉制度
※法媒關注中國向阿曼港口工業區投資107億美元
※慶祝中國與巴基斯坦建交65周年大型文藝演出在伊斯蘭堡舉行
※英媒:中國計劃投資19億美元到哈薩克農業領域
※喜訊！中國空軍工程大學已完成對蘇-30MKK外掛管理系統破解
※20世紀中國美術的「大宅門」——大雅寶胡同甲2號
※19世紀中國人在美國
※王學圻出演鋼鐵俠3 將在中國開機
※2016高考在即霍金髮文祝中國學子：金榜題名
※第三屆「中國當代工藝美術雙年展」7月亮相國家博物館
※泰國防部長：計劃斥資10億美元購買3艘中國潛艇(1)
※中國攜120億美元火速救援俄羅斯被制裁項目
※全球金融碉堡紐約，中國砸美國2500億RQFII
※中亞回族文化奠基人誕辰110周年熱愛中國古典文學
※中國留學生西班牙擒獲2.2米歐洲巨鯰！