不談錢，只談楊振寧說「不宜建造」的大型對撞機是什麼

如何看待王貽芳「中國建造大型對撞機，今天正是時機」的言論？

陳育涵，喵~~~

這幾天突然因為丘先生，楊先生，王所長的幾篇文章，對中國未來加速器項目 (CEPC/SppC) 熱議。網路上粗粗看一下，幾乎是一邊倒站在楊先生那邊。我本人專門從事高能現象學研究，參與過這個項目的預研究，目前手頭剛發布的 / 正在寫的 / 正在準備寫的文章都會涉及這個項目。由於背後的物理問題實在是很龐大，我認為有必要單獨談一下 CEPC 背後的物理，而不是隨便拿網上各種著名人士硬點的說法搬出來，把 CEPC 這個項目批判一番。

進入正題前，我需要聲明本文不觸及以下幾個問題。(1) 本文不回答關於建造加速器項目的費用預算問題，這個我完全支持並且相信王所長的論據。即便是國內的物理和高能物理圈，幾乎沒幾個人比王所長在這方面更專業和有經驗。我一個做現象學研究的，沒有高能實驗經歷的人，隨便評論實驗的費用估算是不專業的。此外，我本人也不是 senior professor 以至於有資格影響基金的決策。作為沒有決策科研經費的經歷的人，隨便評論這個項目經費對其他學科的影響，也是非常不合適的。(2) 本文不討論後續的 SppC 項目，這個話題直接涉及很多超出標準模型的物理，過於龐大，適合單獨討論。(3) 接著(2)，本文不討論關於超對稱 / 超對稱模型的話題（對於專業人士，這裡我想用「超對稱」和「超對稱模型」分別指代 formal susy theory 和 N=1 MSSM/NMSSM models），以及目前超對稱模型（而不是超對稱）到底被 LHC 否定了沒有。非專業人士如果不明白我想說的意思，你需要的是學習完了再來發表評論。這個話題同樣很龐大，需要單獨討論。

除此之外，為了方便非專業人士閱讀，本文自帶各種 quiz, 您有空可以自己 Google 一下答案。

以下言歸正傳：

1, 什麼是 CEPC？ 它是怎麼來的？

CEPC = circular electron-positron collider, or Chinese electron-positron collider. 前一個表述通常是王所長在對外場合用的，用來得到國際高能圈的認可。這裡有兩個需要提及的背景。第一，毋庸置疑 2012.7.4, LHC 的實驗宣布發現了 Higgs boson, 質量是大約 125 GeV. 第二，比較少的人知道，當年的 SUSY 會議 8 月份在北大 [quiz: 請說出具體在北大那個樓里開的] 舉行。這個會議其實是目前國際上高能物理（尤其是現象學）最重要規模最大的一個會議，加上前面的 preSUSY school 有一周多的時間。會議話題集中在 Higgs physics, BSM physics, dark matter, neutrino, and so on，映像中比較 formal 的話題只有幾個關於散射振幅的報告。除此之外，當時這個會議上，幾個有份量的美國教授明確提出希望和中國一起推動搞未來加速器項目，我記得清楚的有大會的組織者之一 Pran Nath, 還有 JHU 的 J. Bagger [quiz: 請列舉 Bagger 的一本代表作]。美國高能屆其實多半是看重的中國有錢，以及中國政府的決策速度。從這個意義上說，是美國的高能物理學屆在 Higgs boson 發現後，更早更急迫的意識到了發展未來加速器的可能性。可是就在前一年，美國的加速器，發現了 top quark [quiz: 請寫出 top quark 質量] 的 Tevatron 剛剛停止運行。中國高能屆對這個事情，至少在 SUSY 2012 上我沒有看到有正面的回應。我相信這個事情的可行性，更權威的應該來自於實驗學家而非現象學家。到 9 月份，我第一次聽說了王貽芳所長的這個提議。到第二年的 9 月份，國內舉行了第一次香山 CEPC kickoff meeting。

這個提案為什麼是這樣一個環形加速器呢？我理解原因有二。其一，日本的一個提案，現在叫做 ILC=International Linear Collider (曾經叫做 JLC= Japanese Linear Collder)，已經是一個直線 Higgs 工廠方案，並且早就完成了 TDR=technical design report。我們沒可能也沒必要去重複這個。其二，環形加速器可以借鑒 CERN 從 LEP [quiz: 請寫出 LEP 的質心能量] 到 LHC 的發展軌跡，同時提升到不同的能量區間。

2, 為什麼可以並且需要在不久的若干年後建造這個機器？

首先談可行性。

CEPC 的物理目標是相當明確，且物理上是 well-defined 的，即來精確測量 Higgs 的各種性質，精確測量 Higgs 的各種性質，還是精確測量 Higgs 的各種性質。CEPC，及其同類競爭的正負電子加速器，在它們運行的能區大約 250 GeV 絕沒有可能用來直接發現所謂的超對稱粒子。CEPC 在質心能量 250 GeV 產生 Higgs 的時候，主要通過的是 Higgs 伴隨 Z-boson 的產生 [quiz: 請自行畫出這個過程的費曼圖]。在標準模型裡面，這個過程產生的截面大約是 0.2 pb [quiz: 請 figure out 「pb」 這個單位代表多大的面積]。如果算上積分亮度為 5 ab-1 的話，CEPC 一共將製造 _____ [quiz: 把 的數字填上，按照 400 億人民幣算算 1 個 Higgs 花多少錢，並與北京房價進行比較] 個 Higgs boson.

有了上面這麼多數量的 Higgs, CEPC 要測量的 Higgs 性質有啥呢？主要有和標準模型費米子 [quiz: 寫出所有標準模型費米子] 的耦合係數，和規範玻色子 [quiz: 寫出所有規範玻色子] 的耦合係數，這些精度們普遍能達到 1% 甚至更好。這還不算完，因為我這裡說的是和標準模型長差不多形式的耦合。那有木有不一樣的耦合呢？在各種 BSM 物理中，答案簡直是一定有的。比如李政道先生 70 年代最早做的 two-Higgs-doublet model 裡面，Higgs boson 就可以有 CP 破壞的耦合 [quiz: 解釋"CP"的物理意義]。而 CP 破壞這個事情，對於我們理解宇宙到今天演化成重子數遠大於反重子數這樣一個極不平衡的狀態，意義至關重要。[quiz: 請說出重子數如果和反重子數嚴格相等，對宇宙意味著神馬。] 我們剛發現的 Higgs boson 到底有沒有 CP 破壞呢？現在不知道，直接測量了才知道。[special quiz: 請有原子分子物理研究背景的同學說出間接測量 CP 破壞的實驗們，並且討論哪家強。] 當然還有個，就是 Higgs boson 自己和自己們的耦合，簡稱自耦合。這個事情在 CEPC 上是個間接測量。最早是在這篇文章裡頭 (https://arxiv.org/abs/1312.3322) 說了這個事情，大意是說通過精確測量 CEPC 等機器上 Higgs 伴隨 Z-boson 產生的截面，可以來限制 Higgs 的自耦合。不過這個工作遠非談的上是個完整的考慮，因為能導致截面這個觀測量和標準模型預期偏差的因素很多。比如有些模型裡面搞些新的粒子進來，完全可以改變這個截面。這意味著精確測量這個截面本身如果發現和標準模型預言有偏差，就會意味著存在新物理。至於新物理到底是啥，目前的 LHC 正在積極尋找；並且我之前的研究過程中知道有些即便是很流行的模型要完全檢驗，恐怕要靠更後面的 SppC 來搞。

然後談緊迫性。

CEPC 真的可以在等 10-20 年後搞嗎？我認為答案是否定的。這個需要說一下加速器項目的立項周期。我本人知道的是一些大致步驟。對於這樣的一個大型加速器研究，大致分為三大塊，分別是物理理論，加速器，探測器。現象學家們主要在物理理論方面去努力，而更大頭的一塊來自實驗學家的努力，那就是需要去設計加速器，探測器這兩塊最最核心的東西。相比較而言，物理理論的研究我個人覺得比較輕鬆；難點來自於實驗部分。實驗物理，我國在 80 年代建了 BEPC，另外目前國內有一些主要單位在參與 LHC 實驗。但是相比美國及歐洲，直到今天中國的高能物理研究團隊是很少的。因為基礎不如歐洲，美國，所以目前起步開始做預研究勢必是滯後的，更不提我們在技術上還面臨各種禁運封鎖的狀況。王所長目前的提議時間點，是要爭取在 2030 前開始我們的實驗，無非是在這個時間前，CERN 還是會集中運行 LHC 實驗。同時，CERN 目前本身也在緊鑼密鼓的進行他們下一步的 Fcc 預研究。下面秀個 CERN 的下一個 Fcc 的想像圖（虛線部分），實線部分為目前的 LHC 的尺寸。

對於中國來說，一旦錯過這個時機，尤其是在最近～10 年左右積累起自己的人才隊伍，CERN 在 2030 之後會接下去直接上馬搞 Fcc。即便是目前中國在推動 CEPC 這個努力的同時，CERN 本身甚至有更瘋狂的想法來直接先上 100 TeV pp 加速器，來和中國的項目競爭。我親耳在參加的港科大的高能物理會議上聽過這樣的提案。對於整個方向，這個時間窗口可以說是稍縱即逝，如果中國沒有能搞定 CEPC 這個項目，那樣在中國的 80-90 後年輕人這代，甚至我們的下一代 00-10 後的人來說，在這個領域面臨的狀態說難聽點和 20-30 年前沒有本質區別。高能物理的主導權永遠不可能在我們手裡。沒有這樣的大科學裝置的主導權，也很難想像相關的其它技術積累如何進行。物理學甚至是其它學科的同行們應該仔細想想你們平時的實驗有多少儀器是大量從國外採購而非自主研發（至少我本人聽說科大最厲害的方向，量子信息的實驗室遇到過買國外儀器太多被禁運的事件）。如果沒有大科學項目推動的技術進步，你們未來幾十年的狀況會有本質變化。

3, CEPC 有何競爭對手，相比而言，CEPC 有何優勢及不足？

從前面提到的內容裡面，CEPC 當下的競爭對手有兩個，分別是日本主導的 ILC 和歐洲 CERN 主導的 Fcc-ee/Fcc-hh 項目。

CEPC 和 ILC pk 的話，其實我個人認為並不是太下風。一個客觀上講，日本本身沒有敲定這個項目，而且日本即便真搞他們也只承擔 50%。這個項目目前的變數不小，至少我理解。從物理的角度，ILC 只是一個直線加速器，它牛逼的地方在於直線加速器提高能量的話電子沒有同步輻射損傷能量的問題。同時這也決定了它的不足也在於它永遠是個正負電子對撞機，而沒有升級成更高能量的 pp 對撞機的可能。作為再高能量的正負電子對撞機，它擅長的還是做 Higgs 的精確測量，而不是發現新物理模型中的新粒子。這個細節我暫時按下不表。從這一點而言，已經決定了 CEPC 這個項目在不升級到 250 GeV 能標上，基本上除了 Higgs 自耦合不能直接測量外其他的 Higgs 精確測量都能做。在 Higgs 的精確測量這點上，CEPC 相比 ILC 也有個優勢，即它是環形。對於環形的加速器，原則上你腦洞大開一下給它按 20 個探測器都可以［該腦洞是王所長某次非正式場合開的我恰巧聽到］，而直線加速器只可能安一個探測器。這意味著 CEPC 有可能在同樣的運行時間內積累比 ILC 更多數據。此外，CEPC 做完後升級成 SppC 是完全可行的方案，詳細的在王所長文有論述。下面給大家看個比較實際一點的四個探測器的圖(圖中用 IP1, IP2, IP3, IP4 表示)：

在我看來，CEPC 目前最大的競爭對手倒是 Fcc。CERN 對這樣一套從環形正負電子對撞機怎麼升級成 pp 對撞機有比我們成熟的多的經驗。CEPC 這個項目，如若不在近 10 年內搞成，中國高能物理的前景可想而知。中國最多只會有一個 BEPC 的升級項目，比如 super tau-charm，來研究低能區間的一些 QCD，而完全失去了在 TeV 電弱能區直接進行實驗探索的能力。中國至少到本世紀中葉，在最領先的基礎研究方面還是處於跟在 CERN 這樣西方把持話語權的後面搞點剩下的。

最後來點情懷的。CEPC/SppC 和在一起有個名字叫 Great Collider。我親眼見到了這個起名的過程。2014 年初高能所的會議上，當時樓辛丑老師半開玩笑說他經歷了當年 SSC 被砍掉的過程，他看到 SppC 裡面第一個詞也是 super 感覺不是很吉利的樣子（原話不記得了）。David Gross [quiz: 請說出他得炸藥獎的工作] 看會場上有個畫著長城的展板，便接過話說你們中國已經有過了 Great Wall, 現在你們將會有 Great Collider。

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