建？不建？巨型對撞機爭辯300天回顧

科技 09-16

我們應該在加速器的設計階段，對其發現新物理現象的可能性作出嚴肅的評估。物理學的多數新發現，都不是計劃出來的。

撰文

文小剛（美國麻省理工學院格林講席教授、《賽先生》主編）

本文經授權轉載自賽先生微信公眾號

近幾年來，由於普林斯頓高等研究院的理論物理學家尼瑪·阿卡尼-哈米德、哈佛大學數學家丘成桐和高能物理研究所所長王貽芳等國內外一些高能物理工作者的大力推動，中國開始考慮建造世界上最大的對撞機。這是一個重要的大科學項目。中國應不應該上？近兩三年，這一直是中國物理工作者討論思考的話題。我們以為，這個問題應該由一個跨領域的科學家委員會來認真討論、研究論證。像《賽先生》這樣的科普媒體，所能做的也就是科普這方面的背景知識，使大眾能夠理解科學家委員會的建議。

建？不建？巨型對撞機爭辯300天回顧

從去年12月開始，《賽先生》發表轉載了一系列文章，比較系統地介紹了和高能加速器相關的一些背景知識，展示了各種不同的觀點和這些觀點之間爭論，這正是《賽先生》所想要促成的一個理性討論的平台。

在這裡，我們把《賽先生》和高能加速器相關的文章匯總了一下，希望讀者對有關巨型對撞機的爭論能有一個比較全面理性的了解。

我們為什麼要建造一個大到七十公里的巨型對撞機來研究微觀粒子？這是因為要研究新的微觀粒子，如希格斯粒子，我們需要產生極高能的粒子束，通過其對撞來產生這些新粒子。根據傳統的加速器設計理念，為了產生能量越來越高的粒子束，我們必須把加速器做得越來越大。但也有一些人考慮非傳統的加速器設計理念，希望這些新思路能有所突破，做出新類型的高能加速器，花小錢辦大事兒。腦洞大開的科技創新：桌面上的粒子加速器（2015-12-1）、激光等離子體加速器刷新紀錄（2016-2-4）這兩篇文章就是這方面的一個探索。

在下面的幾篇文章中，丘成桐：我為什麼期望中國建設巨型對撞機（2015-12-24）、丘成桐新書對建造巨型對撞機決策前景表示樂觀（2016-3-23）、專訪 |丘成桐：巨型對撞機探索宇宙最深層奧秘的前景（2016-5-10），丘先生系統地闡述了他支持建巨型對撞機的觀點。他說「假如在加速器裡面能夠發現超對稱的話，整個世界的物理前沿跟數學前沿都會改變。所以我期望能夠在中國建加速器。」他還認為，在中國建巨型對撞機，能使世界高能物理研究的重心移到中國來。這對中國科學的發展會是一個本質上的促進。

來論 |高能所專家：巨型加速器「兩步走」方案未寄望於偶然發現（2016-1-6）這篇文章介紹了中國建巨型加速器的「兩步走」方案。第一步是建一個七十公里的正負電子對撞機，其對撞能量是0.25 TeV。此前最大的正負電子對撞機是CERN（歐洲核子研究中心）的LEP，其隧道周長27公里，對撞能量0.21 TeV（只差0.01 TeV沒能發現希格斯粒子）。該文強調建設大型正負電子對撞機是一個很可行的方案。第二步是在同一個隧道中建設比現有的LHC能量高几倍的超級質子對撞機，以進行新物理的探索。（目前CERN的質子對撞機LHC的對撞能量是13 TeV。)

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CERN的質子對撞機LHC

需要指出的是，現在大家在爭論要不要建的，是能量只有0.25 TeV的正負電子對撞機。新的正負電子對撞機很適合於精細研究希格斯粒子的物理性質，但在0.2 TeV-0.25 TeV這一已被現有的LHC探索過的能區，能不能發現新的物理現象很難說。大家希望通過在低能區的精密測量，能看到高能區可能有的新的物理現象的一些影子。

鑒於正負電子對撞機的能量太低，而質子對撞機的結果太「臟」，有人提出也許我們應該建又乾淨而能量又高（達10 TeV）的μ子對撞機。建加速器有新思路？CERN前任所長北京推銷μ子對撞機（2016-1-7）和中國應該選擇μ子對撞機嗎？（2016-1-13）兩篇文章從正反兩個方面探索了這一思路。應該說，μ子對撞機是一個好思路，但現在μ子源的技術還不成熟，這需要專家做一個判斷：現在是發展μ子源的技術更合適呢，還是建一個能量不高的正負電子對撞機更合適？

下面兩篇文章介紹了國際上對中國建大型加速器的一些討論：美國物理學家爭論中國巨型加速器計劃（2016-2-4）和歐洲核子研究中心前總幹事：中國建造巨型對撞機需要國際合作（2016-3-23）。支持方指出：成立於1954年的CERN吸引了來自全球的科學家，並在「二戰」後建立歐洲新秩序的過程中起了重要作用。來自美國和前蘇聯的物理學家之間的往來緩和了兩個超級大國之間的緊張局勢。在中國逐漸興起成為一個超級大國之時，中美之間在巨型對撞機上的合作也將扮演同樣的角色。反對方指出：物理學的未來在於原子物理及凝聚態物理學。在這些領域，只需要數十萬而非數百億美元的預算，建立在光學平台上的精密實驗研究系統就有可能（並已實現）幫助人們進一步深入理解包括對量子力學基本原理在內的基本物理概念，並能在諸如量子計算等領域取得紮實的技術突破。

這兩篇文章LIGO是怎樣煉成的，MIT校長闡述基礎科學創新理念（2016-2-13）和王貽芳：引力波的發現為什麼缺少中國科學家的身影？（2016-2-16）沒有講巨型加速器，但詳細講了同樣作為大科學項目，探測引力波的LIGO是如何立項論證的。LIGO發展大科學項目的經驗很值得中國借鑒。另外，日本的經驗也值得中國借鑒：日本曾經建過一個加速器，叫「TRISTAN」( Transposable Ring Intersecting Storage Accelerator in Nippon )，建成於1986年。這個加速器的目標是尋找當時尚未發現的頂夸克( Top quark )。但由於TRISTAN的設計基於不夠可靠的估計，導致日本在TRISTAN上沒有任何重要發現。頂夸克最終還是在美國的費米實驗室被發現的。所以我們應該在加速器的設計階段，對其發現新物理現象的可能性作出嚴肅的評估。（參考化爭執為美酒：超對稱賭局塵埃落定2016-9-14）

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