中國花360億建造大型對撞機，到底值不值？_風聞

【王貽芳 中國科學院高能物理研究所所長院士】

以下為王貽芳演講實錄：

我是王貽芳，來自中科院高能物理研究所。我研究的領域叫粒子物理，也叫高能物理。

過去講故事，開頭會講：很久很久以前，盤古開天地。

當人類文明成長到一定程度，我們就會問：宇宙是什麼樣的？物質是什麼樣的？

2000多年前，希臘人就開始思考這些問題了。對於空間，對於物質，他們有很多想法——雖然，這些想法可能跟現在的科學理解不太一樣，但事實上，2000多年前他們能提出這些思想，是非常了不起的，表示當時他們的文明達到了非常高的程度。

中國也有，幾乎和希臘同時，我們的老子、莊子、左丘明都對宇宙、物質提出了很多思考。

但是，真正的科學，實際上是從300多年前開始：從原子論、分子論，一直到元素週期表，到原子核、夸克。原子核跟夸克是上一個世紀提出的，大約有將近一百年的歷史。

我們整個的科學發展，從原子到原子核到核子到夸克，每一個層次實際上都帶來了豐富的科學知識、科學成果。

在過去的300多年，我們的科學研究發展，跟我們對物質世界“最本質的研究”相關聯。如果沒有這樣的追求，大概科學也不會發展到這樣的程度。事實上，從50年代以來，大約1/3的諾貝爾物理學獎頒給了粒子物理的研究。

我們怎麼做物質最本原的結構的研究？

大家可能都用過顯微鏡，最早我們用眼睛看，用的是光波；但是如果想看的東西比光的波長還要小，就看不到。怎麼辦？我們用電子顯微鏡，因為電子的波長比光子要小得多。再小一點怎麼辦？**我們需要用加速器把電子或質子的能量加速到很高的程度。**能量越高，能看到的物質的結構越小。

所以研究高能物理或者説粒子物理，到最後就是想盡一切辦法，把探針，也就是我們的電子或者質子，加速到非常非常高的能量。

在過去的幾十年中，粒子物理有了非常成功的發展。上面這張照片，紅線的輪廓是歐洲核子中心的大型強子對撞機（LHC）27公里周長的加速器。

LHC地下實際上是一個隧道，隧中有兩個對撞點。中間這張圖所示的是一個大型探測器，也就是“眼睛”。把質子加速到非常高的能量，讓它跟另外一個質子對撞，就可以用譜儀看到質子內部的結構。

經過幾十年的研究，最終我們對整個物質世界有了非常清晰的瞭解。就像元素週期表有一百多個元素一樣，物質的最深層次，有16種基本的粒子。****其中，有6個是夸克（Quarks），有6個是輕子(Leptons)；除此之外，還有右邊這4個相互作用粒子(Forces)。

這裏面，有些粒子跟我們的日常生活密切相關，比如説，傳遞電磁相互作用的就是光子；我們每天的日常生活都跟電子打交道。其實，這16種基本粒子之外，還有一個非常奇怪的粒子，就是最中間的希格斯玻色子（Higgs粒子，後用英文表示），它給了所有粒子質量。

我們描述基本粒子相互作用的方程式，有一個基本的要求：所有的這些粒子必須是沒有質量的。但這顯然跟實驗事實相違背，因為我們知道電子、夸克、相互作用粒子等等都是有質量的。

那怎麼辦？

有一個很奇怪的理論：粒子本來是沒有質量的，但跟充滿宇宙空間的Higgs粒子發生相互作用以後，後天獲得了質量。這就是整個基本粒子的“標準模型（SM）”。我們現在都是在這個框架下做研究，來探究物質最本原的結構和知識。

Higgs粒子是一種非常奇怪的粒子。上世紀60年代被提出來時，其實很多人不相信，但最終，科學家們在2012年歐洲核子研究中心（CERN）的加速器和探測器裏看到了這個粒子。發現Higgs粒子機制的科學家彼得·希格斯（Peter Higgs）先生，獲得了2013年的諾貝爾物理學獎。

看起來，粒子物理標準模型好像是完整了，但事實上還有很多問題。比如説，Higgs粒子給了其它16種粒子質量，但它自己的質量哪來的？

Higgs粒子的質量是125個GeV（eV是電子伏特，1GeV=109eV）。按照現在的標準模型計算，它是由兩個大數減出來的，且這兩個大數必須精確到1034——世界上怎麼會有這麼巧的事情？所以這是一個非常不自然的理論，是粒子物理標準模型一個最大的問題。

要解決這個“自然性”的問題，就需要有新的物理，必須出現在1到10的TeV之間。

粒子物理標準模型還有一個問題，如右邊這張圖所示，橫座標是Higgs粒子質量，縱座標是頂夸克（即Top夸克，六種夸克中最重的一種）質量。把這兩者的質量畫在一張圖上以後，我們的實驗測量發現真空處在一個不穩定的狀態：上面不穩定，下面穩定，中間是亞穩態——

很難想象，在不穩定的狀態下，我們的宇宙會經歷138億年到現在。所以這個理論顯然有問題，我們認為：它絕對不是一個終極理論。

還有很多其他的問題，比如中微子，包括暗物質、反物質等，都沒有辦法在標準模型的框架當中很好、很清楚、很正確地描述出來。

所以這些問題告訴我們，我們需要向下一步去走，**要搞清楚粒子物理標準模型存在的問題，並最終解決這些問題。**這些問題都跟Higgs粒子非常有關，所以我們需要建一個Higgs粒子工廠，大量地產生Higgs粒子；來精確地研究Higgs粒子的性質，搞清楚粒子物理標準模型背後的問題，從而尋找一個比現有的標準模型更深一個層次的問題的答案，比如，電子是不是真的還有一個更深層次的結構？

這個加速器我們把它叫做“環形正負電子對撞機（CEPC，後用英文表示）”，它的周長有100公里。

為什麼我們做這樣一個東西？為什麼需要這100公里？

在歐洲核子研究中心，Higgs粒子已經被看見了，我們可以做Higgs粒子性質的研究。但問題在於，看左邊這張圖，現在的大型強子對撞機，研究Higgs粒子的性質只能到大約10%的精度（圖中灰色部分）。10%，在新物理的能標相當於1個TeV左右。如果能夠提高精度到10倍，就可以把能標提高到10個TeV，就能解決剛才提到的自然性的問題。

所以我們需要一台能產生足夠量Higgs粒子的新機器，使**測量能夠達到1%的精度，從而摸到上限、把新物理給找出來。**同時這個加速器會是世界上能量最高、通量最大的同步輻射光源，所以它的用處非常廣泛。

高能物理還有很多作用。它可以幫助我們探尋世界的本質；同時也可以作為同步輻射光源和其他的一些設備。我們研製的乳腺PET（正電子發射計算機斷層顯像，是核醫學領域比較先進的臨牀檢查影像技術）、PET和輻照加速器（產生的高能電子束照射可使一些物質產生物理、化學和生物學效應，從而能有效地殺滅病菌、病毒和害蟲），都會有非常多的貢獻，造福人類。

回過頭來，一個100公里的加速器，它具體有什麼用處？

它牽涉的專業領域大約有二、三十個門類：它需要世界上最高精度的機械、最高程度的真空、最好的電子、最快的自動控制系統。這些最後都會使得我們國家，或者説工業和硬科技的能力更上一層樓，真正做到國際領先。

一個科學上領先的裝置，它在技術上一定是領先的。所以，把這個裝置造出來，就會使我們的技術走到國際最前沿。事實上，我們國內的加速器目前規模還比較小，現在還有一些技術空白，科學和技術都還沒有達到世界最領先的程度。

如果要做世界上最領的加速器，那這些空白都會被填補，比如超導高頻腔微波功率源、低温製冷、抗輻照集成電路芯片、超導磁鐵等等。同時，大規模的建設也會使我們的企業不光能完成對我們自己的設備供應，還可以佔領國際市場。除此之外，它還可以引領關鍵技術的突破。我們現在正在做的一件事情，就是希望把現在實驗室裏最多做到指甲蓋大小的高温超導材料，做成幾千公里、幾萬公里的高温超導導線。

目前，在科技部（中華人民共和國科技部）、基金委（國家自然科學基金委員會）、科學院（中國科學院）、北京市各方面支持下，我們正在做這些關鍵技術的預研。我們相信，經過5年、10年的研究——高温超導可能需要20年的研究——我們會把現在實驗室的這些技術推廣到大型的科學裝置上去，然後通過大型科學裝置的引領，把它推向社會的方方面面。

我們相信，這樣一個裝置對中國科學發展是一個重大的機遇。

首先，它有重大的科學意義，剛才已經説過了。

其次，它能改善我們的國際環境，能使中國跟國際上有更好的交流，讓中國的國際形象更加高大、對人類的文明有更大的貢獻。

同時，根據國際上大量的研究，這樣一個大型加速器，一般來説投入產出比大概在1:3左右，是完全值得的。

最後，做這個大科學裝置，我們有體制上的優勢。我們相信它作為一個國家的科學技術研究中心，對地方的社會經濟發展、人才引進和培養國際化的體制建設等等，都會有非常重要的作用。

對我們來説，窗口時間應該是10年：按照現在非常激進的計劃，2022年開始建設，2030年完成。我們的競爭對手歐洲核子研究中心，在今年的1月15號公佈了他們的計劃，幾乎跟我們完全一樣：2030年開始建設，2040年建成。這就是我們目前面臨的一個國際形勢：我們有沒有可能、有沒有膽量參與國際最前沿的科學和技術方面的直接競爭，並能夠在這件事情上實現國際引領。我們希望它成為一箇中國發起的國際大科學裝置。

這是我們的概念設計報告的發佈會。國際上類似的裝置一共有四個：兩個直線對撞機，兩個環形對撞機。我們做的是其中的一個環形對撞機，歐洲核子中心有一個直線對撞機、一個環形對撞機，另外日本有一個直線對撞機。我們希望中國在這一次能夠在時間上領先。

大家都説這東西很貴，反對的人可能都是因為錢。所以我想給大家算一筆賬，為什麼説這件事情是可以做的？

這張圖是國際上已有的加速器的造價佔當年GDP的比例。中國在1984年建設了北京正負電子對撞機（BEPC），造價佔當年GDP的0.01%。美國做超導超級對撞機（SSC）的時候，也佔0.01%。歐洲核子研究中心在80年代做了大型正負電子對撞機（LEP），27公里，佔0.02%。發現了Higgs粒子的大型強子對撞機（LHC），佔0.03%。我們如果要做CEPC，在2020年建設，將佔當年的GDP的0.005%。

CEPC現在總造價是360億人民幣。

為什麼看起來花錢很多？

因為特殊。我們願意把20年所有人的錢集中在一個裝置上，所以產生的效益（獲利指數PI=投產後各年淨現金流量的現值合計/原始投資的現值合計）比分成100個研究要高。

科學院的人均經費大約每人每年100萬。我們算一下，建設 CEPC裝置，360億除以3000人除以20年，得到每人每年60萬；再加上工資、運行、研究40萬左右。如果按領域平均，現在基礎研究經費有900億，除以6個領域，數理化天地生。我們在物理當中如果只佔1/5，一年也有30億。所以大家可以看到，我們建這樣一個裝置，能用20年，投入不算多，不超過國內一般水平。這是我們高能物理作為一個重要的基礎科學研究領域應該得的錢，是我們特有的研究形式。所以拜託大家支持我們做這樣一個裝置。

 

2008年的北京奧運會，大家可能對開幕式印象很深，我們有造紙、毛筆、活字印刷，還有太極，非常震撼；而2012年的倫敦奧運會，開幕式拿出來的是原子核，萬維網（WWW）的發明人、歐洲核子研究中心的伯納斯·李先生——從中可以看到差距：我們的未來應該在科技，我們不能躺在前人的成就上、永遠沉湎其中，而是應該有新的東西。

中國現在的大科學裝置，數量很多。500米口徑球面射電望遠鏡“天眼”（FAST）10億人民幣，中國散裂中子源（CSNS）20億人民幣，北京正負電子對撞機（BEPC）8.8億人民幣。而歐洲的大型強子對撞機（LHC）項目55億歐元，發現引力波的激光干涉引力波天文台（LIGO）20億美元，美國在南極冰立方中微子望遠鏡（IceCube）10億美元，我們總體的規模差了10倍，我們的國際領先性不夠，在於老説大科學裝置貴——其實，我們做很多小型的，不如建一個大型的。

CEPC還可以把廣告打到全世界。

這張照片是我在深圳機場拍的，華為説它對上帝粒子的發現有了貢獻。我相信，如果我們自己有一個Higgs工廠，會有上百個企業説“我對中國的Higgs工廠做了貢獻”。

謝謝大家。