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      32位在美物理学者联名:中国建造希格斯工厂的黄金机遇

      发布日期:2018年01月15日 16:00   来源:66科技网

      希格斯粒子对撞事件


      撰文 | 马宏等(全体签名者详见文末)

      责编 | 李晓明



      编者按

             9月28日,《知识分子》编辑部收到匹兹堡大学物理及天文系教授韩涛的邮件,来信附有32位在美国工作的物理学者联名撰写的一篇文章,表达了对中国今天建大型对撞机的想法,并希望在《知识分子》平台上尽快发表。编辑部就此信件逐一与联署的32位物理学者联系求证,截至发稿前,已有31位回信确认文章系本人真实意思表达,且参与了署名。值得注意的是,32位签名学者支持建设百亿预算的环形对撞机,同时认为二期工程高能质子对撞机不在目前的讨论之列。

             自今年9月4日,杨振宁先生投书《知识分子》,第一次公开就“中国今天是否应该建造超大对撞机”发表意见后,第二日《知识分子》刊发了提议建造的中科院高能物理研究所所长王贻芳的回应文章,由此引发科技界较大范围的讨论延续至今,热度不减,由此也创下了中国科学史的记录——中国科学的重大问题第一次公开、公平、公正讨论。

             在连续刊发多篇讨论文章后,《知识分子》秉持客观中立的态度,尊重原作者意见的充分表达,继续刊发32位支持建造的在美物理学者的联署文章。



        


      我们是在美国工作的华人高能物理学者, 在大学或者研究机构从事一线的高能物理的科研和教学。我们的研究方向包括高能物理理论,实验,和加速器设计。我们非常关注近来国内对“中国今天是否要建大型对撞机”的热烈讨论。我们对国内的科技进步教育发展十分关心,而且目前的论题恰恰是我们自己熟悉的专业,所以我们觉得应该对此从专业的角度提供一些分析和意见。



      (一)希格斯粒子及高能物理的重大挑战



      2012年,物理学家在欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)上发现了希格斯粒子。这是高能物理一个划时代的发现。它的发现是六十年代提出的希格斯机制、七十年代提出的粒子物理的“标准模型”理论的巨大成功,标志着人类对大自然的基本规律的理解又往前迈进了一大步。希格斯粒子的发现也是几十年来无数高能物理的理论家和实验家精诚合作的结果。


      但与此同时,希格斯粒子本身也带来了全新的困惑和疑团。和自然界其他基本粒子:夸克、电子、中微子以及光子等相比,希格斯粒子有着我们前所未见的特性。它是其他基本粒子的质量起源,然而我们却不知道它的组成,和它自身质量的来源。同时,希格斯粒子和自己的相互作用对宇宙早期的演化有着直接的影响。研究希格斯粒子可以为我们解释现在宇宙中的物质之所以多于反物质提供极其有用的线索。希格斯还可能是通向更加广阔的未知世界的一个窗口和进一步解决暗物质等多个重大问题的钥匙。 


      这些都是物理界当前面临的最重要和最紧迫的问题,也是高能物理学进一步发展必须迎接的挑战和解决的问题。毋庸置疑,对这些问题的深入研究是寻求物理学上新的突破的珍贵契机,可以引导我们寻找更深层次的物理学规律。高能物理学界从理论上提出过不少可能的对这些问题的解决方案,例如超对称,额外空间维度,和复合希格斯粒子模型,等等。但是如果没有实验的证据,这些都只是猜想。深入研究希格斯粒子的物理绝不仅仅是去证实这其中某一种猜想。其物理目的是寻找这些重大问题的真正答案和线索,从而进一步深化我们对自然之道的理解。



      (二)环形正负电子对撞机(CEPC)希格斯工厂



      自1911年卢瑟福的“碰撞”实验揭示了原子结构以来,粒子加速器以及高能对撞机就是探索深层微观世界、发现新物理现象的重要工具,产生了很多革命性的成果,载入了科学发展的史册。欧洲核子中心的大型强子对撞机把人类对自然界的探索推进到了微观世界约10-9纳米的尺度(大致是头发丝粗细的百万亿分之一)! 如今,在高能物理发展的关键时刻,我们更加需要新的对撞机来实现新的突破。


      对撞机是一种特殊的粒子加速器,它能把电子,质子或着它们的反粒子加速到空前的高能量,然后使它们进行对撞。实验物理家就是通过对这些猛烈碰撞的探测和分析来探索微观世界的物理规律。由于研究碰撞的细节需要大型的和复杂的探测器,如今的高能物理实验通常是不可能由几个人或几十个人来完成的,它一般由上千人的大型国际合作组进行。因此对撞机会吸引世界上大量的顶尖物理学家和科技人员。它提供了一个交流平台,自然会促进东道国的科学,技术和制造的发展。欧洲核子中心就是一个典型的例子。对撞机对高能物理的发展就像望远镜对天体物理的发展一样是个必不可缺的工具。


      五十年来,任何一个新的基本粒子的发现,包括针对粲夸克、奇夸克、底夸克及顶夸克进行的深入研究,都带来了丰富的科研成果,引导了高能物理学的发展。这其中也包括了在北京的高能物理研究所建造的Tau-Charm工厂。对一个粒子的性质的精密测量往往会指向下一个新物理的能标。 一个典型的例子就是顶夸克的质量。 早在顶夸克发现之前, 对于标准模型参数的精确测量已经可以告诉我们顶夸克质量的大致范围。这就如同十九世纪天文学家通过对天王星的轨道摄动而预测一颗未知行星的质量和轨道并最终观测到了海王星。 


      希格斯粒子作为最新发现的而又是最为神秘的粒子,建造仔细研究它的性质的希格斯工厂在高能物理界势在必行。事实上,在希格斯粒子的发现后,国际上已经展开了这方面的热烈讨论。目前,中国高能物理学家提出的“环形正负电子对撞机(CEPC)”就是最理想的希格斯工厂。对撞机周长大约50-100公里,能把正负电子加速到两千五百亿电子伏的能量,这是大量产生希格斯粒子的最佳能量。建成后,CEPC可以在十年的时间里产生约一百万个希格斯粒子。虽然欧洲大型强子对撞机LHC可以产生更多的希格斯粒子,但是强子作为复合粒子,主要参与强相互作用,碰撞时同时产生的巨大“背景噪音”使得我们难以对这些希格斯粒子进行精密的测量。计算表明,在希格斯工厂这样的理想实验环境下对这些希格斯粒子的深入研究可以把我们对其许多性质的测量精度提高到LHC的10倍以上,从而探索粒子物理中悬而未决的重大问题,包括质量起源问题、希格斯本身动力学问题等。更进一步,任何可能测量到的希格斯粒子的性质和标准模型预言的偏差都将可以揭示新物理的存在。建立希格斯工厂将是解决高能物理目前最紧迫的问题的道路上的最关键一步。它还可以降低运行能量,成为Z工厂,产生出上百亿的Z粒子,进一步精确检验标准模型并寻找新物理现象的蛛丝马迹。CEPC的任务完成后,环形对撞机可以升级为高能质子对撞机(SppC),预计比LHC的能量提高大约七倍,成为下一代的高能物理的前沿。但是SppC的建造与否要取决于LHC和CEPC的结果,技术的成熟程度和未来资金的情况。关于SppC的物理讨论,超出了我们目前考虑的范围。



      (三)领军国际高能物理



      美国从八十年代开始热烈讨论“超导超级对撞机(SSC)”,目的就是发现和研究希格斯粒子。当时,全世界上千名科学家和工程技术人员云集美国,学术气氛十分活跃。但最后由于种种政治上的原因,美国政府在1993年宣布终止SSC计划。这个决定对美国高能物理学是一场灾难,而且对整个美国的基础科学研究带来的负面影响至今仍难以消除。与此同时,1994年,欧洲核子中心CERN批准了建造LHC的计划,由此高能物理研究中心从美国移到欧洲。2012年,LHC成功地发现了希格斯粒子,登上了高能物理新的高峰。希格斯粒子的发现当然是多国科学家共同合作的结果,其中包括许多海内外的中国科研人员。展望未来,有LHC运行的欧洲核子中心在今后十几年中仍将是世界高能物理无可争议的中心。


      现在,中国有一个极好的机遇和时机开展大对撞机的建设。在希格斯粒子发现以后,进一步研究其性质成了众所周知的紧迫问题。欧洲核子中心也正在考虑一个类似的希格斯工厂的建设方案。然而,它目前的大型强子对撞机将要持续运行到2030年后。在此之前,在欧洲核子中心建设新的大型对撞机还不现实。美国目前的主要精力放在中微子实验和支持欧洲大型强子对撞机的工作,还未能够考虑未来的大型对撞机计划。日本正在考虑建设高能直线加速器(ILC),其物理目标同CEPC相辅相成,并且和中国作决定的时间段差不多。但是CEPC在研究希格斯粒子上有优势,如果及时启动可以和ILC有力地竞争。所以,从现在算起,中国有大致十到十五年的黄金时间。考虑到建设这类大项目的周期,现在国内科学家们正在开展预研,准备2022年左右建设。高能物理实验规模大,时间长,投入多。这决定了这个领域的实验项目有一定的独占性。中国如果可以抓住机遇开始这个工程,可以一举奠定在国际高能物理上的领军地位,并保持几十年。


      自八十年代改革开放以来, 中国已经从一个贫穷的国家发展成为了第二大经济大国,创造了世界经济发展的奇迹。虽然中国的人均水平还远低于发达的国家, 但中国政府己布局下一步的发展蓝图, 加强创新型发展, 加强国家对科技和基础研究投入能力, 开始着手建设大规模科学工程和国家实验室。这是非常明智的选择。我们相信这将成为中国科技发展的新引擎。建造CEPC对中国而言将是一个规模空前的基础科学项目。如高能所王贻芳所长所说,这个项目的建设估计需要从 2022年至 2032 年每年大致投入三十亿人民币的资金, 大约为国家每年对基础研究的投入的几个百分点。令人鼓舞的是,中国对基础科研的投入的比重正在逐年增加,有可能接近或赶上国际上发达国家的水平。从目前公布的数据来看,CEPC这样的项目并没有超出中国的能力范围。我们相信中国有能力,也应该把握住这个难得的机遇,担当起探索希格斯粒子奥秘的重任。



      (四)基础科学的投入与回报



      基础科学研究是人类对自然的好奇心驱使的,并不是简单地建立在有没有实际应用为初衷。纵观人类五千年文明的历史,这种探索大自然的精神正是我们社会不断发展前进的动力和源泉。由基础科学研究的结果而创造的工业技术革命和飞跃的例子数不胜数。一百年前,爱因斯坦创立了广义相对论并得到了实验的证实。如果没有这个理论的精确计算,GPS就无法找到你想要去的地址。如果没有量子理论,就无法想像我们周围的各种电子器件和智能手机。高能物理研究是基础科学及高技术研究中具有标志性的一个重大领域, 采用的手段覆盖领域宽广,并会提出新的要求,因此常常会催生技术上的革命:加速器不仅仅是我们探索自然的一种工具,对其他物理学科、生物学研究、临床医学等都有直接应用。其实世界上有几万台的小型加速器在各行各业里面工作,用质子和快中子源治疗肿瘤就是一例。另外,我们天天离不开的万维网,它当时就是为了服务于众多的世界各地的合作组,及时得到大量的高能物理实验数据,在欧洲核子中心CERN应运而生。它极大地改变了每个人的日常生活和交流方式,为社会创造了巨大的财富。


      基础科学的投入还是一个非常有效的培养人才的方式。第一个超导对撞机是在美国费米国家加速器实验室的Tevatron。在那里发现了顶夸克,并得到了很多其它重要物理结果。同时费米实验室作为一个科学中心,培养出来上千的博士生,训练了大学生,并为中学生做科学启蒙。现在CERN的大型对撞机LHC,发现了希格斯粒子,继续探索自然界更深层的奥秘。仅LHC 的CMS一个实验就已经培养出来约1750名博士,对科学、工业、经济和社会贡献极大。另一个LHC上的大型实验ATLAS的成绩类似。CERN有2250多名在职员工、27个成员及附属成员国家,齐心协力为国际化的科学城做贡献。


      中国在过去三十年对高能物理研究方面投入已取得了引人注目的成就, 包括今天的北京正负电子对撞机和大亚湾中微子实验及其重大成果,并建成了同步辐射光源、散裂中子源等大科学平台为全国的科技界服务, 并且培养了许多有创新能力的科学及相关技术的顶尖人才。中国目前提出的希格斯工厂(CEPC)用来详细研究希格斯粒子、Z粒子的性质。这将是高能物理研究的必经之路,具有极高的科学价值。同时它将成为中国在这样一个重大的、有引领作用的科学领域作出杰出贡献的平台,带动国内的科技进步,使一些重要产品实现国产化达到世界先进水平,形成一个国际科学与技术中心并促进国际双向交流和合作,吸引大批高端人才参加工作。CEPC这样的大科学项目还有助于提高整个社会对科学的关注,对于学科教育事业的发展会有极其正面的影响。应当指出的是,建造CEPC是个非常大的工程项目,只有高能物理学家的参与是远远不够的。其他领域比如土木工程,机械工程,材料工程,电子工程和大规模计算的专家都会找到他们的用武之地。在整个建造过程和建成之后的运行,每年能吸引数千名国际上的科学技术人员来参与工作。他们的到来会极大的刺激周边的经济发展,并同时大大提高中国整个社会和国家的形象及国际影响。


      在过去的几年中,CEPC已经成为了海外高能物理学者,特别是年轻人关注的焦点。CEPC项目付诸实施后,作为高能物理的中心,必将吸引更多海外人才回国效力。 



      (五)结语:中国建造大型对撞机的机遇



      目前,中国高能物理研究正面临着一大机遇。北京正负电子对撞机从九十年代开始运行。从那时起,中国的实验高能物理从无到有、由弱变强,已经取得了举世瞩目的成绩。中国新一代的高能物理学家已有能力来承担大型的国际项目。中国不仅有基础、有人才来开展建设研究,同时国际合作也日益密切。希格斯工厂这个项目得到了众多国际顶尖的理论、实验物理学家的支持。纵观国际高能物理的环境,中国考虑建设大型对撞机的时机已经成熟。


      大科学装置的预研、建设与投入,符合中华民族伟大复兴的步伐。希格斯工厂CEPC的建造及其科学成果将是中国高能物理跻身世界一流的大飞跃。我们热切期盼这一天的到来。作为在海外工作的高能物理学者,我们为中国能够在这个领域中领跑世界,为基础物理作出贡献感到由衷的激动。为了这个目标,我们愿意在各个方面倾尽全力作出我们的贡献。



      本文作者


      马宏, 资深教授,布鲁克海文国家实验室物理系

      王连涛,教授,芝加哥大学物理系

      王新年,教授,劳伦斯伯克利国家实验室

      叶竞波,教授,南卫理公会大学物理系

      白杨, 助理教授,威斯康辛大学麦迪逊分校物理系

      刘铁辉,scientist-Ⅰ,费米国家加速器实验室

      朱人元,资深研究员,加州理工学院物理系

      朱俊杰,助理教授,密歇根大学物理系

      李彥颉,助理教授,麻省理工学院

      李威,助理教授,莱斯大学物理及天文系

      苏栋, 教授, SLAC国家加速器实验室 

      苏淑芳,教授,亚利桑那大学物理系

      范吉吉,助理教授,布朗大学物理系

      张锦龙,物理学家,阿贡国家实验室

      周冰, 教授,密歇根大学物理系

      杨重凯,资深科学家,SLAC国家加速器实验室 

      陈春晖,副教授,爱荷华州立大学

      罗亦安,副教授,西北大学物理及天文学系, 阿贡国家实验室高能物理所

      周为仁,国际未来加速器委员会束流动力学组

      娄辛丑,教授,德克萨斯大学达拉斯分校物理系

      郁海波,助理教授,加州大学河滨分校物理及天文系

      郑信佳,教授,加州大学戴维斯分校物理系

      姚为民,劳伦斯伯克利国家实验室

      高永生,助理教授,加州州立大学弗雷斯诺分校物理系

      高钟,教授,奥克拉荷马大学物理系

      钱剑明,教授,密歇根大学物理系

      袁简鹏,教授,密歇根州立大学物理及天文系

      崔彦讴,助理教授,加州大学河滨分校物理及天文系

      韩涛,教授,匹兹堡大学物理及天文系

      蔡云海,Department Head,SLAC 国家加速器实验室

      潘以彬, 副教授,威斯康辛大学麦迪逊分校物理系

      邱建伟,资深科学家,布鲁克海文国家实验室(经多次联系,截至发稿前尚未收到本人确认签名回复)



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