科學(xué)“大咖”們爭(zhēng)論的“對(duì)撞機(jī)”到底是什么？

新華社上海9月8日電 題：科學(xué)“大咖”們爭(zhēng)論的“對(duì)撞機(jī)”到底是什么？

新華社“新華視點(diǎn)”記者余曉潔、吳晶晶、王琳琳

繼引力波、量子通信之后，又一個(gè)“高冷”的物理名詞成了新晉“網(wǎng)紅”－－對(duì)撞機(jī)，因?yàn)榭茖W(xué)“大咖”們最近在爭(zhēng)論中國(guó)現(xiàn)在要不要建大型對(duì)撞機(jī)“這種超大超貴的機(jī)器”。

對(duì)撞機(jī)究竟是什么？國(guó)外發(fā)展如何？中國(guó)進(jìn)展怎樣？“新華視點(diǎn)”記者采訪了業(yè)內(nèi)權(quán)威專家。

——焦點(diǎn)一：什么是對(duì)撞機(jī)？

從字面上解析，對(duì)撞機(jī)就是讓某種東西在其中對(duì)撞的機(jī)器。但“大咖”們近日爭(zhēng)論的對(duì)撞機(jī)對(duì)撞的可不是一般的東西，而是高能物理領(lǐng)域被加速到接近光速的帶電微小粒子。

上世紀(jì)以來(lái)，人類對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知已經(jīng)從分子、原子、原子核層次，逐步深入到更小的結(jié)構(gòu)單位夸克和輕子。如何對(duì)這些愈加微小粒子進(jìn)行研究，這活兒只能讓對(duì)撞機(jī)干。

“對(duì)撞機(jī)是人類探索微觀物質(zhì)世界的‘超強(qiáng)顯微鏡’。科學(xué)家要研究的粒子愈微小，選用的對(duì)撞機(jī)體積就要愈龐大、粒子加速的能級(jí)也越高。現(xiàn)代大型加速器的周長(zhǎng)可達(dá)數(shù)十千米，造價(jià)在幾十億到幾百億美元不等?！痹趪?guó)內(nèi)外大型對(duì)撞機(jī)工作多年的上海應(yīng)用物理研究所所長(zhǎng)趙振堂說。

對(duì)撞機(jī)家族成員眾多。按照對(duì)撞粒子的種類分，可分為電子對(duì)撞機(jī)、質(zhì)子－質(zhì)子對(duì)撞機(jī)、電子－質(zhì)子對(duì)撞機(jī)和重離子對(duì)撞機(jī)等；按照對(duì)撞機(jī)的形狀分，可分為環(huán)形對(duì)撞機(jī)和直線對(duì)撞機(jī)。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員曹則賢介紹，雖然對(duì)撞機(jī)的種類各有不同，但對(duì)撞機(jī)中用于碰撞的兩束粒子一般會(huì)選擇一對(duì)正反粒子，如電子與正電子或者質(zhì)子與反質(zhì)子。

“一對(duì)高能正反粒子碰撞會(huì)湮滅，然后產(chǎn)生新的粒子。所以，對(duì)撞機(jī)可以幫助我們研究這些新粒子的內(nèi)在性質(zhì)、產(chǎn)率及其能量和動(dòng)量的分布，理解粒子之間的基本相互作用，從而回答一些基礎(chǔ)物理問題，如到底有哪些基本粒子，有怎樣的相互作用，粒子的質(zhì)量從哪里來(lái)，物質(zhì)的起源等。”曹則賢說。

在科學(xué)家眼中，對(duì)撞機(jī)就像一個(gè)具有神奇法力的“大魔盒”。因?yàn)楫?dāng)粒子被加速到極高能量、進(jìn)行對(duì)撞后，沒準(zhǔn)兒就會(huì)產(chǎn)生地球上極為稀少的重要物理現(xiàn)象，通過捕捉、測(cè)量這些新現(xiàn)象，人類可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)自然世界的基本規(guī)律。

中科院高能物理研究所副研究員、國(guó)家“青年千人計(jì)劃”入選者朱宏博說，過去50年，粒子物理學(xué)界最為成功的理論模型就是標(biāo)準(zhǔn)模型，這一模型很大程度上是通過對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)的充分驗(yàn)證而逐漸確立的。歷史上，近20位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者的工作都與確立標(biāo)準(zhǔn)模型有關(guān)，代表著主流科學(xué)社會(huì)對(duì)于對(duì)撞機(jī)及其實(shí)驗(yàn)研究的高度認(rèn)可。

當(dāng)然，對(duì)撞機(jī)并不是科學(xué)“大咖”們的專利品，它對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)民生以及人類科技發(fā)展也有巨大的推進(jìn)作用?！氨热鐝募铀倨骷夹g(shù)發(fā)展出質(zhì)子治癌技術(shù)，提高癌癥治愈率。從加速器技術(shù)衍生出的散裂中子源、同步輻射光源等為材料、生物研究提供先進(jìn)技術(shù)手段等；從對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)發(fā)展出的諸多精密探測(cè)器技術(shù)也在國(guó)土安全、航空航天、工業(yè)探測(cè)、醫(yī)療成像等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。”朱宏博說。

——焦點(diǎn)二：對(duì)撞機(jī)世界發(fā)展?fàn)顩r怎樣？

據(jù)介紹，早在20世紀(jì)50年代，歐洲、美國(guó)和蘇聯(lián)的科學(xué)家提出了各自建造對(duì)撞機(jī)的計(jì)劃。1962年，世界上第一臺(tái)對(duì)撞機(jī)在意大利弗拉斯卡蒂實(shí)驗(yàn)室建成。次年，美國(guó)和蘇聯(lián)也分別建成了正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。在這以后，對(duì)撞機(jī)隨粒子物理的發(fā)展需求，如雨后春筍出現(xiàn)在世界各大高能物理實(shí)驗(yàn)室。

據(jù)介紹，歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是世界上最大的粒子加速器，它位于日內(nèi)瓦附近、瑞士和法國(guó)交界地區(qū)地下100米深處的環(huán)形隧道內(nèi)，隧道環(huán)的周長(zhǎng)為27千米。

朱宏博說，目前，國(guó)際上正在運(yùn)行的除了歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，還有美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)等。擬建的有日本的國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)，歐洲核子研究中心的未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)和緊湊型高能直線正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)等。

過去50年，對(duì)撞機(jī)在基礎(chǔ)物理領(lǐng)域特別是在驗(yàn)證、完善粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型方面取得了豐碩成果。例如，2012年歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子粒子，這是2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)；2008年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者關(guān)于對(duì)稱性破缺的重要工作，也是基于對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

歷史上也有遇挫的例子，比如為人熟知的美國(guó)的超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)。遇挫的項(xiàng)目往往技術(shù)預(yù)研究不夠充分就匆匆上馬，工期延長(zhǎng)，成本上升。所以，對(duì)于未來(lái)對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目，需充分重視技術(shù)預(yù)研的重要性，細(xì)致工作、嚴(yán)密論證，為項(xiàng)目順利實(shí)施奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。

——焦點(diǎn)三：中國(guó)的對(duì)撞機(jī)發(fā)展如何？

曹則賢表示，中國(guó)目前在北京、合肥和上海三地有加速器，但只有北京的加速器作為正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)使用，運(yùn)行在十億電子伏特的能量水平上。如果有大型對(duì)撞機(jī)，可以在更高能量水平上從事粒子物理研究。

回顧我國(guó)對(duì)撞機(jī)的發(fā)展歷程，朱宏博說，上世紀(jì)七八十年代，經(jīng)李政道、潘諾夫斯基等建議，國(guó)內(nèi)科學(xué)家設(shè)計(jì)并充分論證，經(jīng)國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人批示，建造北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)是世界八大高能加速器中心之一。1988年10月16日，兩束正負(fù)電子在北京西郊一個(gè)羽毛球拍狀的巨型機(jī)器里成功對(duì)撞，揭開了我國(guó)高能物理研究的新篇章。在穩(wěn)定、高效運(yùn)行了15年后，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)于2003年圓滿完成了預(yù)定的科學(xué)使命。

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程于2004年1月動(dòng)工，耗資6.4億元，于2009年5月成功通過驗(yàn)收，性能比改造前提高了30多倍，繼續(xù)保持了我國(guó)在國(guó)際高能物理研究上的優(yōu)勢(shì)?！霸谥袊?guó)工業(yè)基礎(chǔ)薄弱的條件下，我們選擇了自主研發(fā)各類關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，最終使得改造工程對(duì)撞機(jī)部件的國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到85%。”朱宏博說。

中科院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳此前表示，規(guī)劃的大型對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目(以周長(zhǎng)為100公里算)分兩步走：第一步正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)建設(shè)階段，約在2022年至2030年間；第二步質(zhì)子對(duì)撞機(jī)階段，需要經(jīng)過充分的科技攻關(guān)，嚴(yán)密的技術(shù)論證。

其中，正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)可將希格斯粒子的測(cè)量精度提高至1%左右，這就可以確認(rèn)希格斯粒子的性質(zhì)，判斷希格斯粒子是否與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言完全一致。正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)還有望首次測(cè)量希格斯粒子的自耦合，確定希格斯場(chǎng)參與的真空相變的形式，這對(duì)宇宙的早期演化具有重要意義。

（編輯：笑琰）