科學(xué)“大咖”們爭論的“對撞機(jī)”到底是什么？

新華社上海9月8日電 題：科學(xué)“大咖”們爭論的“對撞機(jī)”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(wǎng)紅”－－對撞機(jī)，因為科學(xué)“大咖”們最近在爭論中國現(xiàn)在要不要建大型對撞機(jī)“這種超大超貴的機(jī)器”。

對撞機(jī)究竟是什么？國外發(fā)展如何？中國進(jìn)展怎樣？“新華視點”記者采訪了業(yè)內(nèi)權(quán)威專家。

——焦點一：什么是對撞機(jī)？

從字面上解析，對撞機(jī)就是讓某種東西在其中對撞的機(jī)器。但“大咖”們近日爭論的對撞機(jī)對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，人類對于物質(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。如何對這些愈加微小粒子進(jìn)行研究，這活兒只能讓對撞機(jī)干。

“對撞機(jī)是人類探索微觀物質(zhì)世界的‘超強(qiáng)顯微鏡’?？茖W(xué)家要研究的粒子愈微小，選用的對撞機(jī)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(dá)數(shù)十千米，造價在幾十億到幾百億美元不等?！痹趪鴥?nèi)外大型對撞機(jī)工作多年的上海應(yīng)用物理研究所所長趙振堂說。

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

中國科學(xué)院物理研究所研究員曹則賢介紹，雖然對撞機(jī)的種類各有不同，但對撞機(jī)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(zhì)子與反質(zhì)子。

“一對高能正反粒子碰撞會湮滅，然后產(chǎn)生新的粒子。所以，對撞機(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，物質(zhì)的起源等。”曹則賢說。

在科學(xué)家眼中，對撞機(jī)就像一個具有神奇法力的“大魔盒”。因為當(dāng)粒子被加速到極高能量、進(jìn)行對撞后，沒準(zhǔn)兒就會產(chǎn)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(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、國家“青年千人計劃”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撞機(jī)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(xué)獎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)社會對于對撞機(jī)及其實驗研究的高度認(rèn)可。

當(dāng)然，對撞機(jī)并不是科學(xué)“大咖”們的專利品，它對社會經(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；從對撞機(jī)實驗發(fā)展出的諸多精密探測器技術(shù)也在國土安全、航空航天、工業(yè)探測、醫(yī)療成像等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?！敝旌瓴┱f。

——焦點二：對撞機(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、美國和蘇聯(lián)的科學(xué)家提出了各自建造對撞機(jī)的計劃。1962年，世界上第一臺對撞機(jī)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(fù)電子對撞機(jī)。在這以后，對撞機(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驗室。

據(jù)介紹，歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(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(qiáng)子對撞機(jī)，還有美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機(jī)，中國科學(xué)院高能物理研究所的北京正負(fù)電子對撞機(jī)等。擬建的有日本的國際直線對撞機(jī)，歐洲核子研究中心的未來環(huán)形對撞機(jī)和緊湊型高能直線正負(fù)電子對撞機(jī)等。

過去50年，對撞機(jī)在基礎(chǔ)物理領(lǐng)域特別是在驗證、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)子對撞機(jī)實驗發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子粒子，這是2013年諾貝爾物理學(xué)獎的實驗基礎(chǔ)；2008年的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者關(guān)于對稱性破缺的重要工作，也是基于對撞機(jī)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(dǎo)超級對撞機(jī)。遇挫的項目往往技術(shù)預(yù)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(jī)項目，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，為項目順利實施奠定扎實基礎(chǔ)。

——焦點三：中國的對撞機(jī)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(fù)電子對撞機(jī)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(jī)，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(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，國內(nèi)科學(xué)家設(shè)計并充分論證，經(jīng)國家領(lǐng)導(dǎo)人批示，建造北京正負(fù)電子對撞機(jī)。

北京正負(fù)電子對撞機(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羽毛球拍狀的巨型機(jī)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(fù)電子對撞機(jī)于2003年圓滿完成了預(yù)定的科學(xué)使命。

北京正負(fù)電子對撞機(jī)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。“在中國工業(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撞機(jī)部件的國產(chǎn)化率達(dá)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(jī)項目(以周長為100公里算)分兩步走：第一步正負(fù)電子對撞機(jī)建設(shè)階段，約在2022年至2030年間；第二步質(zhì)子對撞機(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)電子對撞機(jī)可將希格斯粒子的測量精度提高至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)電子對撞機(jī)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）