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后BEPC时代 中国高能物理何去何从

2015-11-18 15:11:19 来源:

中国日报11月18日电(记者 程盈琪)从万维网到iPad使用的触屏技术,从X光诊断技术到Linux电脑系统,这些日常生活中广泛使用的技术全都来自于一个最“不接地气”的学科:粒子物理学。

随着中国已经服役了25年的粒子对撞机在几年内即将退役,中国的高能物理学家们也勾绘未来宏大的蓝图:他们希望把世界高能物理学的中心从欧洲移到中国来。

“高能物理学的特点就是,哪里有最先进的仪器,全世界的科学家就会集中在哪里,” 中国科学院高能物理研究所所长王贻芳在接受中国日报专访时表示。近日,王贻芳及其团队完成了环形正负电子对撞机(CEPC)和超级质子对撞机(SPPC)的初步概念设计,这两台机器将是对目前世界上最大的机器—欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)的全面升级。

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“上世纪90年代,LHC项目开始的时候,中国的高能物理学界还没有积累足够的人力物力和欧洲核子中心(CERN)进行大规模的合作,” 王贻芳告诉记者。2012年7月, CERN宣布成功捕捉到了被称为“上帝粒子”的希格斯粒子,这是物理学界几十年未有的重大突破,而中国对这一发现的贡献却有限。

事实上,从2005年开始,中国的科学家们就开始为中国高能物理的未来进行筹划。“我们一次又一次地讨论,北京正负电子对撞机(BEPC)退役以后,我们的未来将是什么样的,” 王贻芳说。

BEPC:未实现的梦想

上世纪70年代,当欧洲人开始提出大型正负电子对撞机(LEP,完成任务后被改成LHC)的概念时,中国也想建造一台属于自己的大型加速器。开始,中国科学家设计了一个50GeV的方案,后来的事实证明,这一方案“大大高估了当时我国的经济实力”,参与BEPC设计及施工的中国科学院高能物理研究所研究员张闯告诉记者。

在科研经费拮据的情况下,1980年,邓小平亲自批准,拨款2.4亿元建造了北京正负电子对撞机(BEPC)。由于预算有限,BEPC的加速周长仅有240米,能量2.3GeV,仅相当于LEP的1/50。2004至2009年,国家投资6.4亿元对BEPC进行重大改造工程,改造工程完成后,每年拨款9 千万元用于BEPC的运行和维护。BEPC在较低能量级别的粲夸克和τ轻子物理方面发展出了具有特色的研究领域,吸引了世界各地数以百计的高能物理学家来到BEPC进行研究。但是,受到能量的限制,BEPC并无法用于探索希格斯粒子等更加前沿的领域。

后BEPC时代:做梦想的追逐者

尽管BEPC能达到的能量有限,它却为我国培养了一批优秀的高能物理学家,其中很多人又通过在如LHC等国际大型项目上的工作经验,丰富了自己的经历。“到2020年,BEPC的科学目标就基本完成了,届时在BEPC工作的一大批科学家就可以投身于新的项目中,” 王贻芳说。

这次预研的项目包括两个阶段:项目一期的目标是建成一个50-100公里周长的环形正负电子对撞机CEPC,能够大量产生希格斯粒子,第二阶段是要将CEPC改建成一个能量级别高达LHC八倍的超级质子对撞机。资料显示,LHC的建成花了10年时间,耗资数十亿美金。对于CEPC的造价,王贻芳预计将不会超出LHC。同时,由于LHC有约20%的资金来自欧洲以外的国家,王贻芳认为,我国也应该采取国际合作的方式,为CEPC项目争取30%左右的国际资金支持。除此之外,在技术方面,该项目也将获得国际科学界的一致支持,普林斯顿高等研究院的Nima Arkani Hamed告诉记者。

高能物理有什么用?

既然高能物理研究如此耗资巨大,为何世界各国的政府会纷纷通过预算,投资这些“大玩具”呢?难道仅仅是为了满足对宇宙起源的好奇心,或者是想得上几个诺贝尔奖吗?事实上,高能物理研究的“副产品”对于提高一个国家的工业制造能力、改善国计民生是至关重要的。

“高能物理研究的是我们并不了解的那些粒子的性质,因此我们在研究的时候完全没有现成的工具可用。所以,高能物理的进步,依靠研究人员从零开始设计和建造研究的工具、仪器,” 王贻芳说。在这个从零开始的过程中,产生了不少意外惊喜。

万维网的发现就是一个粒子。1989年,英国科学家Tim Berbers-Lee在为CERN工作的时候,为了让在CERN工作的不同国家的人能够更方便地传输数据而发明了万维网。对中国而言,建造BEPC的过程也大大提高了我国在微波元器件和雷达系统技术方面的工业水平。

美国西北大学的Heidi Schellman教授曾经做过一个比喻:一个人突然想去攀登珠穆朗玛峰,这件事本身确实不会直接对其他人的生活产生影响。但是,抓绒衣和防水材料一开始却是为专业的登山者发明,并逐渐降低价格而被广泛使用的。

激烈的国际竞争

尽管大型科学仪器能带来种种的好处,其昂贵的花费并不是所有国家都能负担的。上世纪70年代末,美国几乎和LHC同时地启动了一个更为野心勃勃的项目:在德克萨斯州建一个加速周长87公里的超级超导对撞机(SSC)。项目一开始就因其高达80亿美金的预算而饱受诟病。1993年,一个当地非营利组织发表了对该项目的审计报告,称项目过于昂贵且管理混乱。同年,美国国会叫停了SSC项目,截至那时,该项目已经花费了20亿美元。

“SSC的叫停对于美国的高能物理学界来说简直是个灾难。就在一夜之间,我们把一个自己领先了几十年的领域拱手让给了欧洲,” ,普林斯顿高等研究院的Nima说。不仅如此,自那以后美国的整个科学界都发生了一些变化。“我们本以为SSC的钱会被放到另一些大项目上,但是这样的事情并没有发生。相反,叫停了SSC,美国的科学家再也不认为这里能做成什么大项目了,所有人在谈及未来时,都变得畏首畏尾,”Nima说。

现在,美国没有完成的宏大计划又有了新的尝试者,而且不止一个。据悉,目前CERN也在制定一个与中国类似的新一代加速器的计划,而日本则早就开始了需要更高技术、造价更为昂贵的直线加速器的设计。“不管竞争如何激烈,全世界只可能有一台100TeV对撞机,最终的胜负取决于谁的设计是最好的,谁能得到经费,”王贻芳说

Nima认为中国在这轮竞争中很有优势,他说,“不管新一代加速器建在哪里,研发和建造它都需要一大批新鲜血液的投入。而中国有充足的人才资源,只需进一步雕琢,他们就能让这个梦想成真。”此外,他认为中国的经济实力增强,以及中国提高基础科研实力的愿望非常重要。“没有哪个领域象高能物理这样,全世界的研究人员都会跟着最先进的设备走,设备本身就是一个独立的单元,它对谁居于学科的领导地位起着决定性作用。”

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