建大型對撞機要花費360億,王貽芳院士爲什麼堅持認爲中國應該造

11月3日,中科院院士、中科院高能物理所所長王貽芳接受了媒體採訪,面對媒體得追問,王貽芳依然堅持要建設超大型對撞機。

王貽芳院士簡介

王貽芳是中國高能物理得領軍人物,他在大亞灣發現了第三種中微子振盪方式,大亞灣中微子實驗成果入選《科學》年度十大突破,發現前兩種中微子振盪方式得科學家都已經獲得了諾貝爾獎,所以,王貽芳也被全球物理學界認爲在未來幾十年裡極有可能獲得諾貝爾獎。

大亞灣中微子實驗大廳

中微子,被稱爲“幽靈粒子”,屬於輕子,個頭小、不帶電,可自由穿過任何物體,自旋爲1/2,質量非常輕(有的小於電子的百萬分之一),以接近光速運動,所有中微子都不帶電荷,與其他物質的相互作用十分微弱,不參與電磁相互作用和強相互作用,但參與弱相互作用和引力相互作用。號稱宇宙間的“隱身人”,也被稱爲“幽靈粒子”。

粒子物理標準模型,最後一行的綠色粒子爲中微子,他們的質量目前未知。

簡單來說,中微子有三種“味”,“味”是指基礎粒子的一種屬性,分別是電子e、渺子μ和陶子τ中微子。任何一味的中微子都會隨着時間變化而“變味” (也就是振盪) 。

太陽內核只生產電子中微子,但是電子中微子在穿越真空來到地球的過程中會來回“變味”——有時是渺子中微子,有時是陶子中微子,有時變了一圈又回到電子中微子。當它們被地球上 (只能探測到電子中微子) 的探測器所捕獲時,已經有2/3的電子中微子變成了另外的味,所以觀測到中微子振盪得方式難度非常高。

中微子得其餘兩種振盪方式分別是太陽中微子振盪,科學家雷蒙德·戴維斯首次觀測到的中微子流量與標準太陽模型預測的不符,從而發現了中微子振盪現象,獲得了諾貝爾獎。

另外一種是大氣層中微子振盪,日本超級神岡探測器的梶田隆章以及加拿大薩德伯裡中微子觀測站的阿瑟·麥克唐納就是發現了中微子振盪現象存在的證明,並取得中微子質量數據獲得了2015年諾貝爾物理學獎。

超級神岡探測器

也正是因爲在高能物理領域取得了豐碩得成就,所以王貽芳希望更進一步,建造超大型對撞機,做出更大得科研成果。

他認爲這是“中國引領世界基礎物理研究研究最好的機會”。

大型對撞機是什麼

大型對撞機是粒子物理科學家爲了探索新的粒子,和微觀量化粒子的‘新物理’機制設備,是一種將質子加速對撞的高能物理設備。

大型對撞機局部圖

過去幾十年來,物理學家不斷在細節上加深對構成宇宙的基本粒子及其交互作用的瞭解,瞭解的加深讓粒子物理學的“標準模型”變得更爲豐滿。

粒子物理學的“標準模型”是指關於已知物質的微觀最基本單元——輕子和夸克,最基本相互作用(三種規範相互作用:強相互作用、電磁相互作用和弱相互作用),產生粒子質量機制——黑格斯機制及其量子——輕子、夸克、希格斯粒子和規範相互作用的量子相互作用和轉化的基礎理論。

粒子標準模型的內涵(特別是強作用引起的手徵相變,夸克、膠子、等離子體以及色超導相變的規律和條件等)和應用讓人類對微觀世界的認識推向更加深入的層次(如超對稱,大統一,額外維時空等)。此外,標準模型的成功,推動了天體物理、宇宙學和核物理等學科的重大發展,誕生了新的交叉學科(如粒子宇宙學,高能天體物理學等)。

但這個模型中仍存在縫隙,以至於我們無法繪製一幅完整的關於微觀世界的圖畫。爲了幫助科學家揭示粒子物理學上這些關鍵性的未解之謎,需要大量實驗數據支持,大型對撞機便擔負起“數據提供者”的角色,這也是非常重要的一個步驟。大型對撞機能夠將兩束質子加速到空前的能量狀態而後發生相撞,此時的撞擊可能帶來意想不到的結果,絕對是任何人都無法想象的。

在希格斯粒子被發現後,科學家們非常希望擁有下一代正負電子對撞機用以大量產生乾淨希格斯粒子,即“希格斯工廠”。

大型強子對撞機LHC上質子對撞過程產生非常多的本底,希格斯粒子事例混雜着大量無用“噪音”,給研究希格斯粒子的性質帶來干擾和困難。如果採用正負電子對碰撞,則本底非常低,對希格斯粒子性質更精確的測量將得以開展。

由此各個國家都提出了下一代大型對撞機的方案,而王貽芳指的大型對撞機是指100公里環形正負電子對撞機,簡稱CEPC,這是中國提出的下一代大型對撞機方案。

建造大型對撞機有什麼好處

目前國際上正在醞釀的方案除了中國科學家提出的“環形正負電子對撞機+超級質子對撞機”(CEPC+SppC),還有國際直線對撞機(ILC)、緊湊型直線對撞機(CLIC)、大型正負電子對撞機(LEP3)、極高能大型正負電子對撞機(TLEP)、未來環形對撞機(FCC)、超大型強子對撞機(VLHC)、繆子對撞機(MC)等。

未來環形對撞機

而王貽芳爲什麼堅持修建超大型對撞機,他也給給出了四條原因:

第一,希格斯粒子是粒子物理目前一個最重要的觀測窗口。

第二,希格斯粒子質量不是特別重,使得環形對撞機就可以高效產生大量希格斯粒子、成爲一個理想的希格斯粒子工廠。相對於直線對撞機來說,CEPC是效率更高的一種設計。

第三,中國在國際上的競爭對手(歐洲、美國、日本),它們都有正在進行的其他項目,暫時騰不出手來做環形對撞機希格斯粒子工廠。

第四,環形正負電子對撞機剛好是我們會做的——我們已經有30年的北京正負電子對撞機的經驗。

在王貽芳認爲,目前歐洲提出的未來環形對撞機(Future Circular Collider,FCC)的技術路線,就是採用了中國科學家提出的原理方案——先電子對撞、再過渡到質子對撞。這充分證明了中國CEPC發展的可行性。

在王貽芳看來,修建大型對撞機是百利而無一害,最壞的結果也可以幫助我們把對希格斯粒子性質的瞭解提高到一個新的高度,因爲經過王貽芳仔細論證,CEPC對撞可產生一百萬個希格斯粒子。而且從希格斯粒子的質量來看,剛好可以用環形對撞機產生,且產生效率優於直線對撞機。

直線對撞機

除此之外,還可以讓我們更加了解標準模型的本質。如果更幸運,說不定還可以取得關鍵技術如高溫超導的進步,這對中國科學可以說是大跨越式的發展。

王貽芳在某次演講中更直言:中國這臺大型對撞機建成後將是全球最大、能量最高的粒子加速器——歐洲大型強子對撞機(LHC)周長的三倍多,某些方面的功能將是其成千上萬倍。

王貽芳經過仔細計算,建造大型對撞機的先期投入只需要360億元,並非1000億元。如果取得了重大的科研成果,我們還可以在這個基礎上擴建,因爲正負電子對撞機的隧道有100公里長,以做質子對撞機,也可以做重離子對撞機等等,有很多可能性。

最後,我們需要說明的是:超大型科研項目投入360億並不多,而且王貽芳如今已經56歲,CEPC一期工程是計劃到2030年完成,實驗運行、取數10年,二期工程(如果決定建設)計劃2040年啓動建設。所以不存在通過建造CEPC謀取私利的問題。

英國《自然》雜誌對王貽芳的報道

楊振寧爲什麼反對

當然,王貽芳如此堅持,也有人選擇反對,代表人物就是楊振寧教授,標準模型就是在楊振寧的規範場論基礎上提出的,所以他在這個領域可以說是權威。

他就認爲中國在現在這個時間點建設大型對撞機沒有必要:

簡單來說:王貽芳力挺建造大型對撞機,認爲這是中國一次“彎道超車”的機會,一旦成功將會改變未來,而且這個設施可以吸引更多國外優秀人才,有利於提高中國基礎科學的地位。

而楊振寧先生則認爲,中國沒必要建造這個昂貴的東西,而且結果還是未知,應該把錢用在其他高回報的科研領域。

其實如果你仔細看,就會發現,兩個人所站的角度不同,提出的觀點都有一定的道理,兩個人之間的論爭完全屬於科學之上的論戰,是學術之爭,至於誰對誰錯,這個估計只有等修建了才能知道。

所以我們的討論要對事不對人,沒有必要將話題引到個人身上,畢竟,他們的出發點都是好的。

我認爲,如果不修建的話,省下來的是錢,但是中國高能物理研究可能會再次落後西方。修建的話,雖然花費了很多錢,但是如果真的有重大科學成果,那不就賺到了嗎?

就像有位科學家說的那樣:18世紀英國是世界科學中心,19世紀德國是世界科學中心,20世紀美國是世界科學中心,21世紀中國要不要爭取一下?

這就像是一場勝率只有0.00001的豪賭,賭注是360億人民幣,獎品是科技大爆發。

全世界都在賭,美國、日本、歐洲在內的很多國家都想建超大對撞機,中國爲啥不豪氣下注一回呢?