大对撞之12:中科院学者回应斯坦福学者

作者: 阮曼奇、徐庆金

来源: 知识分子

发布日期: 2019-12-20

中国科学院高能物理研究所的两位研究员阮曼奇和徐庆金回应斯坦福大学教授赵午关于是否建造大型对撞机的观点,强调CEPC和SPPC的科学目标和技术预研的重要性,以及这些项目对基础科学和技术的深远影响。

2012年,LHC的紧凑渺子线圈(CMS)实验捕获到希格斯粒子。对于中国是否应该建造大对撞机的辩论,已经成为“大对撞”,有物理学家之间的激烈辩论,也有科学界其他人、关心中国发展的其他人的碰撞,虽然程度不同。12月18日,斯坦福大学教授赵午通过《知识分子》谈了他对中国是否应建超级对撞机的几点意见。

12月19日,中国科学院高能物理研究所的两位研究员阮曼奇和徐庆金寄信《知识分子》,就赵午提出的几个问题进行了回应。关于这一议题,《知识分子》秉承公平、理性原则继续为多方提供讨论平台。欢迎寄信editor@zhishifenzi.com,发表您的看法。

近日,美国斯坦福直线加速器实验室的赵午先生在他的《是否建造大型对撞机的XYZ问题》一文中,提出了如下问题:“第一,我们先要自问,为了SPPC(超级质子对撞机),我们真的有决心有毅力,投入Z的经费,三十年全力以赴去做它的预研吗?”“第二,我们真的为了那个隧道投入X元建造CEPC(环形正负电子对撞机)吗?”“第三,我们真的愿意投入X+Y+Z去送几位西方人去斯德哥尔摩吗?

”其中,X指CEPC的造价;Y指SPPC的造价;而Z指SPPC技术的预研。作为从事CEPC和SPPC研究的一线科研人员,我们将就上述问题给出回应。我们的回答不是标准答案,欢迎其它专家继续讨论。

CEPC具有明确的科学目标和重大的科学意义。赵先生在文章中暗示:CEPC的建设只是为SPPC提供一个隧道。这种说法没有依据。

目前粒子物理标准模型远不是一个终极理论,它存在大量未解之谜:它无法解释引力、暴胀、暗物质、暗能量等基础现象,也无法完全解释粒子之间存在的巨大的质量差异、物质-反物质的不对称性,等等。这些问题使得人们普遍相信标准模型背后存在更为基础的物理原理(新物理)。

希格斯玻色子是标准模型的基石,和上述未解之谜存在千丝万缕的联系;而其性质的精确测量是探索新物理的最好探针之一:测量精度越高,能探索的新物理的能标越高。如CEPC概念设计报告指出的,如果我们将希格斯玻色子的性质测量到1%的相对精度,就可以对10TeV能标下的新物理进行扫描;这一精度和可探索的能标超过目前LHC(大型强子对撞机)一个数量级。

CEPC将为标准模型未解之谜的探索提供关键线索,有可能直接发现新物理原理。

SPPC关键技术预研正在进行,有望带动超导产业变革性发展。赵先生问“为了SPPC,我们真的有决心有毅力,投入Z的经费,三十年全力以赴去做它的预研吗?”事实是:SPPC关键技术预研已经于数年前展开,且已经取得重要进展。同时,这些技术具有巨大的应用价值,我们在以后的数十年将全力以赴进行研发。SPPC采用全环超导方案。

高场超导磁体是SPPC建设的最大挑战之一,也在很大程度上决定了SPPC的造价。为大幅降低造价、实现大规模工业利用,结合我国在铁基超导上国际领先的研究基础,我们首次提出基于铁基超导的高场磁体技术路线。目标是在10-20年的时间内,将高温超导材料的载流能力提升至24T强场下1000A/mm2水平、成本降低至20/kAm,达到大规模应用的水平。

该目标不仅可满足SPPC的需求,也将对电力运输、储能、磁悬浮交通、高精度核磁谱仪(成像精度与磁场强度的平方成正比)、可控核聚变(能量密度与磁场强度的四次方成正比)等应用领域产生深远影响。性价比提高数十倍的下一代先进超导技术,有望带动一个产值至少数千亿的新型高科技产业。为此,国内多个顶级科研机构和企业联合成立了“实用化高温超导材料产学研合作组”,共同推进这一关键技术的发展。

目前,在中科院先导专项、国家重点研发计划以及自然科学基金等项目的大力支持下,合作组经过三年的努力,已取得重要进展:百米级铁基超导长线材载流性能已经提高近四倍(相比于2016年水平),引领国际最高记录;国际上首次完成铁基超导线圈24T背景磁场下应用的实验验证,证明了铁基高场超导磁体路线的可行性,同时铁基超导线材的预期造价有望比铌三锡超导线材低4~5倍,与目前成本最低廉的铌钛超导线材相当。

大型粒子对撞机研究目标与诺奖无关。赵先生问“我们真的愿意投入X+Y+Z去送几位西方人去斯德哥尔摩吗?”针对此问题,我们想说明以下几点:A. CEPC的研究从来没有瞄准多少人能获诺奖。能更深入地理解我们生活其中的大自然的奥秘、在自己的国土上建设国际科学中心、发展世界顶尖的新技术、培养成千上万的世界顶尖科技人才,与这些相比,再好的奖项都是浮云。

B. 退一步讲,直接回复赵先生的问题,如果CEPC能够建设,其成果产生的诺奖,更大的可能性是授予中国的科学家。因为CEPC是中国提出并主导的国际合作项目,项目的物理目标也并不是单纯的验证现有的某些理论。抱歉我们不理解赵先生此处的逻辑,中国主导、在中国土地上建设的项目,为何会把“西方人”(如果非要这么叫的话)送去斯德哥尔摩?C. 大型基础科学设施的建设可以具有良好的经济回报。

欧洲核子研究中心(CERN)正在进行的大型强子对撞机高亮度升级(HL-LHC)项目,除科学上的收益之外,专业经济学家团队测算其效益成本比约为1.8;其它加速器项目也有类似的研究,效益成本比都在2-3左右。考虑到该项目对基础科学、人才教育及变革性高新技术发展所起的巨大推动作用,我们认为该项目的投入远不止物超所值。

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