科學“大咖”們爭論的“對撞機”到底是什么？

新華社上海9月8日電 題：科學“大咖”們爭論的“對撞機”到底是什么？

新華社“新華視點”記者余曉潔、吳晶晶、王琳琳

繼引力波、量子通信之后，又一個“高冷”的物理名詞成了新晉“網紅”－－對撞機，因為科學“大咖”們最近在爭論中國現(xiàn)在要不要建大型對撞機“這種超大超貴的機器”。

對撞機究竟是什么？國外發(fā)展如何？中國進展怎樣？“新華視點”記者采訪了業(yè)內權威專家。

——焦點一：什么是對撞機？

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

上世紀以來，人類對于物質結構的認知已經從分子、原子、原子核層次，逐步深入到更小的結構單位夸克和輕子。如何對這些愈加微小粒子進行研究，這活兒只能讓對撞機干。

“對撞機是人類探索微觀物質世界的‘超強顯微鏡’?？茖W家要研究的粒子愈微小，選用的對撞機體積就要愈龐大、粒子加速的能級也越高。現(xiàn)代大型加速器的周長可達數(shù)十千米，造價在幾十億到幾百億美元不等?！痹趪鴥韧獯笮蛯ψ矙C工作多年的上海應用物理研究所所長趙振堂說。

對撞機家族成員眾多。按照對撞粒子的種類分，可分為電子對撞機、質子－質子對撞機、電子－質子對撞機和重離子對撞機等；按照對撞機的形狀分，可分為環(huán)形對撞機和直線對撞機。

中國科學院物理研究所研究員曹則賢介紹，雖然對撞機的種類各有不同，但對撞機中用于碰撞的兩束粒子一般會選擇一對正反粒子，如電子與正電子或者質子與反質子。

“一對高能正反粒子碰撞會湮滅，然后產生新的粒子。所以，對撞機可以幫助我們研究這些新粒子的內在性質、產率及其能量和動量的分布，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，粒子的質量從哪里來，物質的起源等?！辈軇t賢說。

在科學家眼中，對撞機就像一個具有神奇法力的“大魔盒”。因為當粒子被加速到極高能量、進行對撞后，沒準兒就會產生地球上極為稀少的重要物理現(xiàn)象，通過捕捉、測量這些新現(xiàn)象，人類可以進一步發(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、國家“青年千人計劃”入選者朱宏博說，過去50年，粒子物理學界最為成功的理論模型就是標準模型，這一模型很大程度上是通過對撞機實驗的充分驗證而逐漸確立的。歷史上，近20位諾貝爾物理學獎獲得者的工作都與確立標準模型有關，代表著主流科學社會對于對撞機及其實驗研究的高度認可。

當然，對撞機并不是科學“大咖”們的專利品，它對社會經濟民生以及人類科技發(fā)展也有巨大的推進作用。“比如從加速器技術發(fā)展出質子治癌技術，提高癌癥治愈率。從加速器技術衍生出的散裂中子源、同步輻射光源等為材料、生物研究提供先進技術手段等；從對撞機實驗發(fā)展出的諸多精密探測器技術也在國土安全、航空航天、工業(yè)探測、醫(yī)療成像等領域得到廣泛應用?！敝旌瓴┱f。

——焦點二：對撞機世界發(fā)展狀況怎樣？

據(jù)介紹，早在20世紀50年代，歐洲、美國和蘇聯(lián)的科學家提出了各自建造對撞機的計劃。1962年，世界上第一臺對撞機在意大利弗拉斯卡蒂實驗室建成。次年，美國和蘇聯(lián)也分別建成了正負電子對撞機。在這以后，對撞機隨粒子物理的發(fā)展需求，如雨后春筍出現(xiàn)在世界各大高能物理實驗室。

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

朱宏博說，目前，國際上正在運行的除了歐洲大型強子對撞機，還有美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機，中國科學院高能物理研究所的北京正負電子對撞機等。擬建的有日本的國際直線對撞機，歐洲核子研究中心的未來環(huán)形對撞機和緊湊型高能直線正負電子對撞機等。

過去50年，對撞機在基礎物理領域特別是在驗證、完善粒子物理的標準模型方面取得了豐碩成果。例如，2012年歐洲大型強子對撞機實驗發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子粒子，這是2013年諾貝爾物理學獎的實驗基礎；2008年的諾貝爾物理學獎獲得者關于對稱性破缺的重要工作，也是基于對撞機的實驗驗證。

歷史上也有遇挫的例子，比如為人熟知的美國的超導超級對撞機。遇挫的項目往往技術預研究不夠充分就匆匆上馬，工期延長，成本上升。所以，對于未來對撞機項目，需充分重視技術預研的重要性，細致工作、嚴密論證，為項目順利實施奠定扎實基礎。

——焦點三：中國的對撞機發(fā)展如何？

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

回顧我國對撞機的發(fā)展歷程，朱宏博說，上世紀七八十年代，經李政道、潘諾夫斯基等建議，國內科學家設計并充分論證，經國家領導人批示，建造北京正負電子對撞機。

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

北京正負電子對撞機重大改造工程于2004年1月動工，耗資6.4億元，于2009年5月成功通過驗收，性能比改造前提高了30多倍，繼續(xù)保持了我國在國際高能物理研究上的優(yōu)勢?！霸谥袊I(yè)基礎薄弱的條件下，我們選擇了自主研發(fā)各類關鍵技術設備，最終使得改造工程對撞機部件的國產化率達到85%?！敝旌瓴┱f。

中科院高能物理研究所所長王貽芳此前表示，規(guī)劃的大型對撞機項目(以周長為100公里算)分兩步走：第一步正負電子對撞機建設階段，約在2022年至2030年間；第二步質子對撞機階段，需要經過充分的科技攻關，嚴密的技術論證。

其中，正負電子對撞機可將希格斯粒子的測量精度提高至1%左右，這就可以確認希格斯粒子的性質，判斷希格斯粒子是否與標準模型預言完全一致。正負電子對撞機還有望首次測量希格斯粒子的自耦合，確定希格斯場參與的真空相變的形式，這對宇宙的早期演化具有重要意義。

（編輯：笑琰）