国产自愉自愉第三区

国产自愉自愉第三区

下一代大对撞机，是国际高能物理界的“兵家必争之地”。

近期，中国环形正负电子对撞机（CEPC）迎来标志性进展，正式发布了对撞机探测器的基准技术设计报告，这是继2023年底发布加速器技术报告后的又一突破。两份技术报告的落地，意味着这座“全球最大的希格斯工厂”技术准备已成熟，下一步，就是从蓝图走向工程建设。

2012年，人类发现被称为“上帝粒子”的希格斯粒子，它在解释物质起源、宇宙演进等物理学基本问题中发挥着核心作用。环形对撞机可以高效“生产”出大量希格斯粒子。

如果一切顺利，CEPC可以在2027年左右启动建设，2035年左右建成。然而，中国科学院高能物理研究所研究员、CEPC项目牵头人王贻芳对《中国新闻周刊》说，由于CEPC没有被中国科学院推荐纳入中国的“十五五”规划，这项需要数百亿元资金的大科学工程要继续延迟。

作为地球上尺度最大的大科学装置，围绕大对撞机的争论一直存在。

“寻找新物理的探针”

在瑞士与法国交界，阿尔卑斯山脉地下100米深处，埋藏着一条周长约27公里的巨大环形隧道，这就是2012年捕捉到希格斯粒子的大型强子对撞机（LHC）。按照欧洲核子研究中心（CERN）的计划，LHC至少还要再运行15年，但物理学家已开始迫不及待地规划它的“接班人”——未来环形对撞机（FCC）。

FCC的环形隧道周长约为91公里，规模是LHC的三倍多，第一阶段FCC-ee（“ee”代表正负电子对撞）的整个工程造价可能超过150亿美元。更大的成本是时间。FCC-ee预计到2047年左右才能运行，这意味着，接下来的几十年里，CERN几乎将所有资源、几代物理学家的职业生涯以及整个欧洲的粒子物理学未来，全部押注到了FCC上。

任何科学的重大进展都关乎选择。与FCC相比，中国的CEPC周长更长，规划为100公里，首期计划耗资360亿元，是中国基础研究领域目前为止最大的一笔投资。王贻芳说，作为一个国际合作项目，中国出资占比预计70％—80％，国际贡献20％—30％。此前的预研阶段，我国已在CEPC项目上投入了上亿元，资金来自科技部、国家自然科学基金、中国科学院等多种渠道。

为什么粒子物理学家都会被对撞机吸引？

中国科学院高能物理研究所研究员、CEPC探测器研发团队联合负责人王建春对《中国新闻周刊》解释，正负电子对撞机的原理，就是让加速后的正电子与负电子相撞并互相湮灭，这个过程会“诞生”各种新的粒子，物理学家通过研究这些粒子及其发生的相互作用来分析宇宙最深层的规律。其中，粒子物理学家最感兴趣的一个粒子，就是希格斯粒子，“它是寻找新物理的探针”。

用于解释宇宙中所有基本粒子及其相互作用的标准模型，长期存在缺陷：强电与弱电作用力无法统一，真空不稳定，无法解释希格斯粒子自身的质量问题⋯⋯作为标准模型的最后一块拼图，希格斯粒子之所以如此重要，是因为它不仅能告诉我们“质量从哪里来”，还可能揭示宇宙为何以现在的样子存在、隐藏在可见世界之外的暗物质如何获得其神秘的质量。

在中国科学院高能物理研究所研究员、CEPC加速器负责人高杰看来，希格斯粒子是人类认识宇宙极微观与极宏观的最重要窗口。“有了这个窗口，我们才能尝试回答关于演化与存在的‘终极’问题。所以，CERN在2012年7月宣布发现希格斯，高能所在当年9月就提出了CEPC作为未来‘希格斯工厂’的设想，动作非常快。”他对《中国新闻周刊》说。

研究希格斯粒子性质时，精度尤为重要。现有的对撞机技术路线主要有两类：一种是CEPC与FCC这类环形对撞机；另一种是直线对撞机，代表例子是日本主导的国际直线对撞机（ILC）和欧洲主导的紧凑型直线对撞机（CLIC）。这也是目前国际上主要的四种“希格斯工厂”方案。

环形和直线型各有其支持者。选择环形对撞机的物理学家认为，环形最重要的优点是它在特定能区具有很高的测量精度。亮度是衡量对撞机性能的一个重要参数，亮度越高，代表单位时间内发生的对撞事件越多，也就意味着积累的可研究数据越多，这直接决定着测量的精度。王贻芳解释，环形的亮度是直线型的8—10倍，相当于在一台直线对撞机上运行8—10年的数据，在环形对撞机上一年就可以获得。“因此，CEPC可以让测量精度从现有的10％进化到1％，提升10倍。”王贻芳说。

然而，直线型的支持者认为它的“后劲儿”更大。德国电子同步加速器研究中心（DESY）的研究员珍妮·利斯特是国际直线对撞机（ILC）项目的探测器研究负责人之一，同时担任欧洲未来加速器委员会（ECFA）的“希格斯工厂物理潜力”工作组召集人。她对《中国新闻周刊》解释，FCC-ee可探测的能量范围在90—365 GeV之间，相较而言，直线对撞机目前的技术上限可以达到1—3 TeV（TeV即万亿电子伏特，1 TeV=1000 GeV），未来还可以通过加长轨道或引入更先进的加速技术，达到更高能量，探测FCC-ee上无法发现的粒子反应。

利斯特认为，这里需要做出的权衡是：是选择低能高碰撞率，还是高能低碰撞率？“根据我个人的观察，我的大多数同事选择环形而非直线的主要原因，是他们认为建造强子对撞机才是未来的最终目标，FCC-ee是通向这一目标的第一阶段。”她说。

选择、争夺与“玩具”

新物理总是往更高的能量上去找。

根据规划，CEPC与FCC都会在项目的第二阶段将能量升级到100 TeV左右，在同一个环形隧道中，继续修建强子对撞机。这样做的好处显而易见，可以让不同能量实验的过渡与升级间不会形成太长的空窗期。CERN曾有过类似教训，LHC正是建于它的“前辈”——大型正负电子对撞机（LEP）的隧道里，但由于前期缺乏整体规划，从LEP关闭到LHC开始第一次碰撞，间隔了9年。

然而，环形对撞机的反对者认为，在当下就考虑之后的升级，不仅意味着要开挖更宽的隧道、花费更多的资金，更重要的是将粒子物理未来半个世纪的发展方向锚定到了一条过于清晰而明确的赛道上。以FCC的二期工程FCC-hh（“hh”代表强子之间的对撞）为例，最早也要到2070年才能投入使用。这之前的任何新物理发现或其他一些能达到类似能量方案的新兴技术进展，都有可能改变人们对FCC-hh的价值评估。

“两阶段计划将持续到本世纪末。我们真的能够预测如此长时间内的科学技术发展吗？我个人认为，从战略角度来看，直线型对撞机由于其隧道基础设施投入相对较少，因此为非对撞机实验和加速器研发留出了更多空间，从而具有更大的灵活性。”利斯特说。

围绕大科学工程的选择之所以困难，不仅在于科学上的争论，还涉及资源的争夺，这让博弈与决策过程变得更加复杂。

华沙大学粒子物理学家亚历山大·扎尔内茨基在2025年发表文章《建还是不建？》。这是欧洲物理学界少有的公开对FCC质疑的声音。扎尔内茨基指出，FCC的规模与所需的庞大资金，以及它将牵涉到CERN大部分研究人员的事实，恰恰是他反对该项目的理由。“在我看来，推动FCC-hh的主要动机是确保那些在LHC上从事强子对撞研究的人能继续进行研究。但建造FCC不仅要动用CERN的大部分资源，还要动用其成员国分配给高能物理的大部分资源，其他研究领域的进展有可能受阻。”

实际上，这些质疑背后的更深层原因，指向了粒子物理学当下面临的核心挑战及其充满不确定性的未来。参与FCC论证时，以色列特拉维夫大学粒子物理学家哈莉娜·阿布拉莫维奇曾提出：我们是否要为了一个可能无法解决标准模型的“玩具”而牺牲未来50年的时间？

这是批评环形对撞机的一种核心观点。多年来，粒子物理学家一直在寻找超越标准模型的新物理，遗憾的是，自2012年在LHC上成功证实了希格斯粒子的存在之后，它尚未召唤出任何新粒子。阿布拉莫维奇发现，来自LHC的实验论文中，“探索性”论文的数量是“测量性”论文的两倍，许多被CERN宣传为“巨大成功”的测量结果，只是证实了之前已知的内容，由此带来的人类对粒子相互作用底层逻辑的理解进展甚微。

在国内，也有类似的质疑声音，其中，最知名的对撞机反对者是杨振宁。不久前，人们在纪念这位刚刚去世的诺贝尔物理学奖得主时，还会反复提起他的那句“The party is over（盛宴已过）”。杨振宁从20世纪70年代起就不看好高能物理的未来，2016年，他对大对撞机表示公开反对。同一年，CEPC预研申请进入“十三五”项目，可惜差一票未能通过。

杨振宁反对的理由有二，一是花钱太多；二是用对撞机寻找新物理，过去多年来都没有突破，未来的几十年内也未必能实现。他建议，不建大对撞机，高能物理还有两个方向值得探索：寻找新加速器原理、寻找美妙的几何结构。后者指向理论研究。

然而，多位受访的高能物理学家指出，围绕新物理的各种猜想与理论层出不穷，但如果没有实验的检验，人类永远无法知道哪种理论最接近宇宙的“真实”。希格斯粒子早在20世纪60年代就已被模型预测，但当运行三年的LHC第一次捕捉到它时，人类对世界的科学认知才真正向前迈了一大步。

“20世纪90年代我做学生时，物理学家普遍推测希格斯粒子的质量很大，甚至可能达到300GeV，那样至少要建设上千公里的环形对撞机才能把粒子加速到这个能量级别，建造这样的装置不现实。但没想到，希格斯粒子的质量比大家的预期小得多，这改变了后续人们对新物理的各种推测。”王建春回忆。

马特·斯特拉斯勒是美国知名的科普作家与理论物理学家，过去三十年里，他撰写了很多关于大对撞机的科普文章，他在接受《中国新闻周刊》采访时强调，即使环形对撞机在未来没有发现新物理，“没有发现”本身就是一种无法通过其他任何方式获得的重要知识。

对于粒子物理学当下面临的困境，斯特拉斯勒认为，我们无法预知这究竟是即将迎来革命性新发现的时刻，还是缓慢发展的开端，正反双方都有各自的论点，“但只有数据才能真正回答这个问题”。

2023年4月19日，欧洲核子研究中心（CERN）发布的手稿显示了位于日内瓦的未来环形对撞机（FCC）和现有的大型强子对撞机（LHC）隧道。图/视觉中国

大对撞机的未来

“选择环形还是直线是一个艰难的决定，必须综合考虑短期和长期的科学潜力、技术可行性以及成本。”斯特拉斯勒说。

实际上，在“降本增效”的过程中，CEPC被“逼”出来一系列创新。多位受访物理学家指出，整个CEPC的设计中，技术本身的突破虽是难点，但更大的挑战在于如何平衡科研目标与造价。

CEPC基准探测器设计示意图，像“洋葱”一样的结构，从内到外包含多层探测器。图/受访者提供

以对撞点旁设置的探测器为例。作为CEPC的“眼睛”，王建春介绍，探测器的整体结构就像一个“大型洋葱”，从内到外一层套一层，每层都“包裹”着不同功能的次级探测器。当对撞点产生的粒子开始向四周飞散时，不同层开始依次记录碰撞瞬间产生的大量粒子轨迹、速度、能量和各种特性信息。

其中有一个中间层，叫作电磁量能器，王建春解释，它专门用来测量电子和光子的能量。当粒子穿过量能器并和其内部物质发生反应时，会丢失能量，“为了更有效地测量所有丢失的能量，并以此为依据倒推原本的能量信息，我们对量能器的结构重新进行了优化：让粒子沿垂直方向射入一个个纵向长条晶体，然后直接在两端读出信号，再用先进的算法反推出能量沿途的分布，不用再详细记录粒子经过的每一个点位。这种布局上的创新显著压缩了成本，还同时实现了能量的精确测量和粒子位置的精准定位，一举两得”。

更重要的是，就像万维网诞生于欧洲核子研究中心一样，CEPC在推进技术研发的同时，其溢出效应也辐射到高能物理之外。

闪烁玻璃是探测器的一种重要材料，王建春说，中国的科学家正和企业共同攻关，不仅涉及“配方”层面的研发，还要确保批量化生产时也能维持性能的稳定性，达到工业级水平。

多位受访物理学家指出，大科学装置的长远价值从来不局限于单纯科学目标的实现，而是能带动一个国家工业化与产业化水平的整体提升，乃至突破关键技术的国产化。“没有一个大科学装置像CEPC这样能涉及二三十个工业门类，包括超导、微波、精密制造、集成电路芯片与半导体材料等。”王贻芳说。

由中国科学院高能物理研究所发起的CEPC产业促进会2017年成立，迄今为止，参与联合攻关的企业已达到70多家。王贻芳指出，CEPC部件的国产化率超过95％，各项技术基本做到国际领先，目前已无核心的技术瓶颈。

在全球四个备选的“希格斯工厂”方案中，原本中国在整体进度上领先5—10年。CEPC比FCC早一年提出，又率先完成并发布了加速器与探测器技术报告。“这是中国高能物理第一次在能量前沿领域，与世界顶尖水平竞争。如果这次能抓住机会，就有望让中国成为高能物理领域未来几十年的全球中心，这不仅能提高我国高能物理人才的整体水平，也会吸引全世界的物理学家来到中国，就像CERN一样。”高杰说。

然而，由于未能获批“十五五”建设，站在起跑线上的CEPC迟迟等不到发令枪。另一边的欧洲，FCC-ee的未来似乎更加明朗。2026年即将担任CERN总干事的马克·汤姆森在年初受访时提到“欧洲建造‘希格斯工厂’的动力无比强烈”。

此外，与中国不同，由于CERN的经费由20多个成员国共同分摊，其建造FCC-ee所需资金可在建设期分十年支付。同时，CERN也可用未来的年费抵押借款，就像建造LHC时那样。

利斯特指出，CERN理事会批准FCC-ee的前提是资金到位。按照目前的预估，FCC-ee的建设成本在170亿美元左右，一位接近CERN的物理学家对《中国新闻周刊》透露，50％的费用可由机构目前的年度预算负担，欧盟已同意支付另外20％的经费，再加上美国等国的经费投入，应该说，FCC-ee的经费绝大部分已在手中。不过，利斯特也提到，考虑到大型项目未来成本上涨的风险，FCC-ee项目的成本估算仍存在约30％的不确定性，目前，CERN正在讨论永久性提高成员国会费的可能性。

中国的大对撞机下一步怎么办？

王贻芳透露，还要看CERN的后续反应，该机构理事会计划在2028年左右决定是否最终批准FCC的建设。如果批准，CEPC就没有继续建设的必要。“因为两个项目非常相似，同质化竞争没有意义，我们只能选择加入欧洲的计划，做一个跟随者与合作者。如果FCC没有获批，CEPC可以继续申请下一个五年规划（2030—2035年）。”他说。

利斯特表示，欧洲物理学家已注意到CEPC未获批的事实。“这种情况表明，我们需要在大型科学项目中加强全球协调与合作。尤其是在当前形势下，基础科学项目的合作应被视为弥合政治分歧的重要窗口。”她强调。

对于CEPC当前的受挫，王建春早有心理准备。早在学生时期，他就亲历过美国超级对撞机（SSC）项目的流产，当时的理由与现在没什么区别，美国国会质疑：“为什么要花这么多钱让物理学家找看不见的粒子？”他担心的最坏结果，是CEPC和FCC都由于种种原因未能建成，那将是全球高能物理学界的重大损失，人类探索宇宙的步伐也将大幅放缓。

这场围绕大对撞机的漫长“对撞”，还在继续。

发于2025.12.8总第1215期《中国新闻周刊》杂志

杂志标题：大对撞机的“对撞”

记者：霍思伊

编辑：杜玮