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大對(duì)撞之12:中科院學(xué)者回應(yīng)斯坦福學(xué)者

 由狹漸廣 2019-12-21
2012年,,LHC的緊湊渺子線圈(CMS)實(shí)驗(yàn)捕獲到希格斯粒子。McCauley, Thomas; Taylor, Lucas; for the CMS Collaboration,,CC BY-SA 3.0

- 編者按 -


對(duì)于中國是否應(yīng)該建造大對(duì)撞機(jī)的辯論,,已經(jīng)成為“大對(duì)撞”,有物理學(xué)家之間的激烈辯論,,也有科學(xué)界其他人,、關(guān)心中國發(fā)展的其他人的碰撞,雖然程度不同,。

12月18日,,斯坦福大學(xué)教授趙午通過《知識(shí)分子》談了他對(duì)中國是否應(yīng)建超級(jí)對(duì)撞機(jī)的幾點(diǎn)意見。

12月19日,,中國科學(xué)院高能物理研究所的兩位研究員阮曼奇和徐慶金寄信《知識(shí)分子》,,就趙午提出的幾個(gè)問題進(jìn)行了回應(yīng)。

關(guān)于這一議題,,《知識(shí)分子》秉承公平,、理性原則繼續(xù)為多方提供討論平臺(tái),。歡迎寄信[email protected],,發(fā)表您的看法。


撰文 | 阮曼奇  徐慶金(中國科學(xué)院高能物理研究所)


●   ●   ●

近日,,美國斯坦福直線加速器實(shí)驗(yàn)室的趙午先生在他的《是否建造大型對(duì)撞機(jī)的XYZ問題》一文中,,提出了如下問題:

“第一,我們先要自問,,為了SPPC(超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)),,我們真的有決心有毅力,投入Z的經(jīng)費(fèi),,三十年全力以赴去做它的預(yù)研嗎,?”

“第二,我們真的為了那個(gè)隧道投入X元建造 CEPC(環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī))嗎,?”

“第三,,我們真的愿意投入X+ Y+ Z去送幾位西方人去斯德哥爾摩嗎,?”

其中,X指CEPC的造價(jià),;Y指SPPC的造價(jià),;而Z指SPPC技術(shù)的預(yù)研。

作為從事CEPC和SPPC研究的一線科研人員,,我們將就上述問題給出回應(yīng),。我們的回答不是標(biāo)準(zhǔn)答案,歡迎其它專家繼續(xù)討論,。

1

CEPC具有明確的科學(xué)目標(biāo)和重大的科學(xué)意義

趙先生在文章中暗示:CEPC的建設(shè)只是為SPPC提供一個(gè)隧道,。這種說法沒有依據(jù)。

目前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型遠(yuǎn)不是一個(gè)終極理論,,它存在大量未解之謎:它無法解釋引力,、暴脹、暗物質(zhì),、暗能量等基礎(chǔ)現(xiàn)象,,也無法完全解釋粒子之間存在的巨大的質(zhì)量差異、物質(zhì)-反物質(zhì)的不對(duì)稱性,,等等,。這些問題使得人們普遍相信標(biāo)準(zhǔn)模型背后存在更為基礎(chǔ)的物理原理(新物理)。希格斯玻色子是標(biāo)準(zhǔn)模型的基石,,和上述未解之謎存在千絲萬縷的聯(lián)系,;而其性質(zhì)的精確測(cè)量是探索新物理的最好探針之一:測(cè)量精度越高,能探索的新物理的能標(biāo)越高,。如CEPC概念設(shè)計(jì)報(bào)告指出的,,如果我們將希格斯玻色子的性質(zhì)測(cè)量到1%的相對(duì)精度,就可以對(duì)10TeV能標(biāo)下的新物理進(jìn)行掃描,;這一精度和可探索的能標(biāo)超過目前LHC(大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī))一個(gè)數(shù)量級(jí),。CEPC將為標(biāo)準(zhǔn)模型未解之謎的探索提供關(guān)鍵線索,有可能直接發(fā)現(xiàn)新物理原理,。

退一步說,,即使CEPC沒有發(fā)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)模型的偏離,這表明我們目前對(duì)自然性原理(即新物理能標(biāo)相對(duì)于電弱能標(biāo)的差距,;這一差距越大,,說明理論越不自然)的認(rèn)識(shí)出現(xiàn)了重大偏差,意味著我們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的認(rèn)識(shí),、甚至對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)存在巨大問題,,需要作出深刻的根本性的改變,這也是具有重大意義的成果,。

正因如此,,國際高能物理學(xué)界普遍認(rèn)為高精度的正負(fù)電子希格斯工廠是未來粒子物理實(shí)驗(yàn)的首選,。除CEPC外,這些希格斯工廠還包括歐洲的 FCC(未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)),、CLIC(緊致對(duì)撞機(jī)),、可能被建設(shè)于日本的 ILC(國際直線對(duì)撞機(jī)),科學(xué)家對(duì)這些項(xiàng)目進(jìn)行了大量科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā),,也反映了對(duì)CEPC科學(xué)意義的高度共識(shí),。

CEPC造價(jià)約為360億人民幣,到底值不值,?某種程度上說,,粒子物理是現(xiàn)代物理學(xué)的近半壁江山。CEPC一旦建成,,將成為全球粒子物理實(shí)驗(yàn)的旗艦,,使我國在該領(lǐng)域問鼎世界領(lǐng)先的地位。CEPC對(duì)我國的基礎(chǔ)科學(xué)水平有巨大的促進(jìn),;其建設(shè)是一個(gè)歷史性的機(jī)遇,。

從經(jīng)費(fèi)上看,中國年均經(jīng)費(fèi)超過20億的二級(jí)學(xué)科有很多,。高能物理學(xué)界把資源集中起來,,投入一個(gè)科學(xué)壽命長達(dá)幾十年的、最先進(jìn)的項(xiàng)目,,人年均經(jīng)費(fèi)并沒有比其它領(lǐng)域多,,不會(huì)擠占其他學(xué)科的資源。


2

SPPC關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研正在進(jìn)行,,有望帶動(dòng)超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)變革性發(fā)展

趙先生問 “為了SPPC,,我們真的有決心有毅力,投入Z的經(jīng)費(fèi),,三十年全力以赴去做它的預(yù)研嗎,?” 事實(shí)是:SPPC關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研已經(jīng)于數(shù)年前展開,且已經(jīng)取得重要進(jìn)展,。同時(shí),,這些技術(shù)具有巨大的應(yīng)用價(jià)值,,我們?cè)谝院蟮臄?shù)十年將全力以赴進(jìn)行研發(fā),。

SPPC采用全環(huán)超導(dǎo)方案。高場(chǎng)超導(dǎo)磁體是SPPC建設(shè)的最大挑戰(zhàn)之一,,也在很大程度上決定了SPPC的造價(jià),。為大幅降低造價(jià)、實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)利用,,結(jié)合我國在鐵基超導(dǎo)上國際領(lǐng)先的研究基礎(chǔ),,我們首次提出基于鐵基超導(dǎo)的高場(chǎng)磁體技術(shù)路線,。目標(biāo)是在10-20年的時(shí)間內(nèi),將高溫超導(dǎo)材料的載流能力提升至24T強(qiáng)場(chǎng)下1000A/mm2水平,、成本降低至20/kAm,,達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用的水平。該目標(biāo)不僅可滿足SPPC的需求,,也將對(duì)電力運(yùn)輸,、儲(chǔ)能、磁懸浮交通,、高精度核磁譜儀(成像精度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比),、可控核聚變(能量密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的四次方成正比)等應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。性價(jià)比提高數(shù)十倍的下一代先進(jìn)超導(dǎo)技術(shù),,有望帶動(dòng)一個(gè)產(chǎn)值至少數(shù)千億的新型高科技產(chǎn)業(yè),。為此,國內(nèi)多個(gè)頂級(jí)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)聯(lián)合成立了 “實(shí)用化高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)學(xué)研合作組” [1-2],,共同推進(jìn)這一關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展,。

目前,在中科院先導(dǎo)專項(xiàng),、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的大力支持下,,合作組經(jīng)過三年的努力,已取得重要進(jìn)展:百米級(jí)鐵基超導(dǎo)長線材載流性能已經(jīng)提高近四倍(相比于2016年水平),,引領(lǐng)國際最高記錄,;國際上首次完成鐵基超導(dǎo)線圈24T背景磁場(chǎng)下應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明了鐵基高場(chǎng)超導(dǎo)磁體路線的可行性 [3],,同時(shí)鐵基超導(dǎo)線材的預(yù)期造價(jià)有望比鈮三錫超導(dǎo)線材低4~5倍 [4],,與目前成本最低廉的鈮鈦超導(dǎo)線材相當(dāng)。

  

左-螺線管及跑道型鐵基超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)線圈,;中-鐵基超導(dǎo)螺線管線圈24T下載流性能測(cè)試[3],;右-美國強(qiáng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)該工作的評(píng)論文章,贊同鐵基超導(dǎo)線材高場(chǎng)下優(yōu)異的載流性能,,及極低的預(yù)期造價(jià)[4]


3
SPPC的建設(shè)將加速下一代先進(jìn)超導(dǎo)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

按鐵基超導(dǎo)方案及高溫超導(dǎo)合作組十年目標(biāo)參數(shù)計(jì)算,,SPPC總計(jì)需要約3000噸超導(dǎo)材料,價(jià)格不超過100億人民幣,。以此初步估計(jì)SPPC的造價(jià),,應(yīng)該在500億人民幣以內(nèi)。這個(gè)投入值不值,?

在科學(xué)上,,如果CEPC及其他物理實(shí)驗(yàn)告訴我們SPPC能直接探測(cè)到新物理原理,SPPC的建設(shè)無疑是值的。

在技術(shù)上,,SPPC為下一代先進(jìn)超導(dǎo)技術(shù)提供了明確的應(yīng)用目標(biāo),、技術(shù)指標(biāo)和市場(chǎng)需求,將大大加速該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)化進(jìn)程,。當(dāng)年美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron 超導(dǎo)加速器,,推動(dòng)基于鈮鈦技術(shù)的超導(dǎo)磁體實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,才有了今天超導(dǎo)核磁共振譜儀(MRI)的普及,,全球民眾才享受到這種高科技產(chǎn)品的福利,。事實(shí)上過去四十余年,正是由于以粒子加速器為首的大科學(xué)工程項(xiàng)目的全力推動(dòng),,才有了今天為數(shù)不多但事關(guān)民眾健康及國家安全的超導(dǎo)及低溫產(chǎn)業(yè),。

為了最大化CEPC、SPPC對(duì)技術(shù)的促進(jìn)作用,,同時(shí)控制項(xiàng)目的造價(jià),,項(xiàng)目將追求90%以上的國產(chǎn)率。這將有效帶動(dòng)先進(jìn)超導(dǎo)等一系列高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,,影響巨大而深遠(yuǎn),。


4

大型粒子對(duì)撞機(jī)研究目標(biāo)與諾獎(jiǎng)無關(guān)

趙先生問 “我們真的愿意投入X+ Y+ Z去送幾位西方人去斯德哥爾摩嗎?” 針對(duì)此問題,,我們想說明以下幾點(diǎn):


A. CEPC的研究從來沒有瞄準(zhǔn)多少人能獲諾獎(jiǎng),。能更深入地理解我們生活其中的大自然的奧秘、在自己的國土上建設(shè)國際科學(xué)中心,、發(fā)展世界頂尖的新技術(shù),、培養(yǎng)成千上萬的世界頂尖科技人才,與這些相比,,再好的獎(jiǎng)項(xiàng)都是浮云,。

B. 退一步講,直接回復(fù)趙先生的問題,,如果CEPC能夠建設(shè),,其成果產(chǎn)生的諾獎(jiǎng),更大的可能性是授予中國的科學(xué)家,。因?yàn)镃EPC是中國提出并主導(dǎo)的國際合作項(xiàng)目,,項(xiàng)目的物理目標(biāo)也并不是單純的驗(yàn)證現(xiàn)有的某些理論。抱歉我們不理解趙先生此處的邏輯,,中國主導(dǎo),、在中國土地上建設(shè)的項(xiàng)目,為何會(huì)把“西方人”(如果非要這么叫的話)送去斯德哥爾摩,?

C. 大型基礎(chǔ)科學(xué)設(shè)施的建設(shè)可以具有良好的經(jīng)濟(jì)回報(bào),。歐洲核子研究中心(CERN)正在進(jìn)行的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)高亮度升級(jí)(HL-LHC)項(xiàng)目,,除科學(xué)上的收益之外,,專業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)家團(tuán)隊(duì)測(cè)算其效益成本比約為1.8 [5],;其它加速器項(xiàng)目也有類似的研究,效益成本比都在2-3左右,??紤]到該項(xiàng)目對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)、人才教育及變革性高新技術(shù)發(fā)展所起的巨大推動(dòng)作用,,我們認(rèn)為該項(xiàng)目的投入遠(yuǎn)不止物超所值,。

 個(gè)人簡(jiǎn)介 

阮曼奇,清華大學(xué)-巴黎十一大學(xué)博士,,中國科學(xué)院研究員,,CEPC項(xiàng)目物理及探測(cè)器模擬研究負(fù)責(zé)人。阮曼奇及其團(tuán)隊(duì)完成了CEPC概念設(shè)計(jì)報(bào)告中的物理潛力分析,、基線探測(cè)器設(shè)計(jì),、核心重建算法和基線軟件工具開發(fā)。

徐慶金,,中科院高能物理所高場(chǎng)超導(dǎo)技術(shù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人,、HL-LHC CCT國際合作項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。2008至2014年于日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)及歐洲核子研究中心開展先進(jìn)超導(dǎo)技術(shù)研究,。2014年入選中科院 “百人計(jì)劃‘A類’引進(jìn)國外杰出人才”,。帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出國內(nèi)第一個(gè)10T級(jí)高場(chǎng)超導(dǎo)二極磁體;國際上首次完成鐵基超導(dǎo)線圈24T高場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,。
    參考文獻(xiàn)
[1]http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2016/201610/t20161019_4681731.html
[2]http://whmfc./info/1507/2684.htm
[3]Supercond. Sci. Technol. 32 (2019) 04LT01
[4]Supercond. Sci. Technol. 32 (2019) 070501
[5]https://home.cern/news/news/cern/society-benefits-investing-particle-physics


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