中国大对撞机，技术成熟待启程，何时成真值得期待？
中国的大对撞机项目技术准备已经成熟，即将进入实施阶段，该项目已经取得了重要的技术突破和进展，预计不久将能够成功实现大对撞机的建设和运行，具体的时间表尚需进一步的研究和规划，但相信在不久的将来，中国的大对撞机将成为国际上重要的科研设施之一，为科学研究做出重要贡献。
中国的大对撞机，何时能成？ 技术准备成熟待启程。下一代大对撞机是国际高能物理界的焦点。近期，中国环形正负电子对撞机（CEPC）迎来标志性进展，正式发布了对撞机探测器的基准技术设计报告，这是继2023年底发布加速器技术报告后的又一突破。两份技术报告的落地，意味着这座“全球最大的希格斯工厂”技术准备已成熟，下一步是从蓝图走向工程建设。
2012年，人类发现了被称为“上帝粒子”的希格斯粒子，它在解释物质起源、宇宙演进等物理学基本问题中发挥着核心作用。环形对撞机可以高效“生产”出大量希格斯粒子。如果一切顺利，CEPC可以在2027年左右启动建设，2035年左右建成。然而，由于CEPC没有被中国科学院推荐纳入中国的“十五五”规划，这项需要数百亿元资金的大科学工程要继续延迟。
作为地球上尺度最大的大科学装置，围绕大对撞机的争论一直存在。在瑞士与法国交界处，阿尔卑斯山脉地下100米深处埋藏着一条周长约27公里的巨大环形隧道，这就是2012年捕捉到希格斯粒子的大型强子对撞机（LHC）。按照欧洲核子研究中心（CERN）的计划，LHC至少还要再运行15年，但物理学家已开始迫不及待地规划它的“接班人”——未来环形对撞机（FCC）。
FCC的环形隧道周长约为91公里，规模是LHC的三倍多，第一阶段FCC-ee的整个工程造价可能超过150亿美元。更大的成本是时间。FCC-ee预计到2047年左右才能运行，这意味着，接下来的几十年里，CERN几乎将所有资源、几代物理学家的职业生涯以及整个欧洲的粒子物理学未来，全部押注到了FCC上。
与FCC相比，中国的CEPC周长更长，规划为100公里，首期计划耗资360亿元，是中国基础研究领域目前为止最大的一笔投资。作为一个国际合作项目，中国出资占比预计70％—80％，国际贡献20％—30％。此前的预研阶段，我国已在CEPC项目上投入了上亿元，资金来自科技部、国家自然科学基金、中国科学院等多种渠道。
为什么粒子物理学家都会被对撞机吸引？正负电子对撞机的原理是让加速后的正电子与负电子相撞并互相湮灭，这个过程会“诞生”各种新的粒子，物理学家通过研究这些粒子及其发生的相互作用来分析宇宙最深层的规律。其中，粒子物理学家最感兴趣的一个粒子就是希格斯粒子，“它是寻找新物理的探针”。
用于解释宇宙中所有基本粒子及其相互作用的标准模型长期存在缺陷：强电与弱电作用力无法统一，真空不稳定，无法解释希格斯粒子自身的质量问题。作为标准模型的最后一块拼图，希格斯粒子之所以如此重要，是因为它不仅能告诉我们“质量从哪里来”，还可能揭示宇宙为何以现在的样子存在、隐藏在可见世界之外的暗物质如何获得其神秘的质量。
在中国科学院高能物理研究所研究员、CEPC加速器负责人高杰看来，希格斯粒子是人类认识宇宙极微观与极宏观的最重要窗口。“有了这个窗口，我们才能尝试回答关于演化与存在的‘终极’问题。”他对《中国新闻周刊》说。
研究希格斯粒子性质时，精度尤为重要。现有的对撞机技术路线主要有两类：一种是CEPC与FCC这类环形对撞机；另一种是直线对撞机，代表例子是日本主导的国际直线对撞机（ILC）和欧洲主导的紧凑型直线对撞机（CLIC）。这也是目前国际上主要的四种“希格斯工厂”方案。
环形和直线型各有其支持者。选择环形对撞机的物理学家认为，环形最重要的优点是它在特定能区具有很高的测量精度。亮度是衡量对撞机性能的一个重要参数，亮度越高，代表单位时间内发生的对撞事件越多，也就意味着积累的可研究数据越多，这直接决定着测量的精度。王贻芳解释，环形的亮度是直线型的8—10倍，相当于在一台直线对撞机上运行8—10年的数据，在环形对撞机上一年就可以获得。“因此，CEPC可以让测量精度从现有的10％进化到1％，提升10倍。”
然而，直线型的支持者认为它的“后劲儿”更大。德国电子同步加速器研究中心的研究员珍妮·利斯特是国际直线对撞机项目的探测器研究负责人之一，她解释，FCC-ee可探测的能量范围在90—365 GeV之间，相较而言，直线对撞机目前的技术上限可以达到1—3 TeV，未来还可以通过加长轨道或引入更先进的加速技术，达到更高能量，探测FCC-ee上无法发现的粒子反应。
选择、争夺与“玩具”。新物理总是往更高的能量上去找。根据规划，CEPC与FCC都会在项目的第二阶段将能量升级到100 TeV左右，在同一个环形隧道中，继续修建强子对撞机。这样做的好处显而易见，可以让不同能量实验的过渡与升级间不会形成太长的空窗期。然而，环形对撞机的反对者认为，在当下就考虑之后的升级，不仅意味着要开挖更宽的隧道、花费更多的资金，更重要的是将粒子物理未来半个世纪的发展方向锚定到了一条过于清晰而明确的赛道上。
围绕大科学工程的选择之所以困难，不仅在于科学上的争论，还涉及资源的争夺，这让博弈与决策过程变得更加复杂。华沙大学粒子物理学家亚历山大·扎尔内茨基指出，FCC的规模与所需的庞大资金，以及它将牵涉到CERN大部分研究人员的事实，恰恰是他反对该项目的理由。“在我看来，推动FCC-hh的主要动机是确保那些在LHC上从事强子对撞研究的人能继续进行研究。但建造FCC不仅要动用CERN的大部分资源，还要动用其成员国分配给高能物理的大部分资源，其他研究领域的进展有可能受阻。”
实际上，这些质疑背后的更深层原因，指向了粒子物理学当下面临的核心挑战及其充满不确定性的未来。参与FCC论证时，以色列特拉维夫大学粒子物理学家哈莉娜·阿布拉莫维奇曾提出：我们是否要为了一个可能无法解决标准模型的“玩具”而牺牲未来50年的时间？
在国内，也有类似的质疑声音，其中，最知名的对撞机反对者是杨振宁。他从20世纪70年代起就不看好高能物理的未来，2016年，他对大对撞机表示公开反对。同一年，CEPC预研申请进入“十三五”项目，可惜差一票未能通过。杨振宁反对的理由有二，一是花钱太多；二是用对撞机寻找新物理，过去多年来都没有突破，未来的几十年内也未必能实现。他建议，不建大对撞机，高能物理还有两个方向值得探索：寻找新加速器原理、寻找美妙的几何结构。后者指向理论研究。
多位受访的高能物理学家指出，围绕新物理的各种猜想与理论层出不穷，但如果没有实验的检验，人类永远无法知道哪种理论最接近宇宙的“真实”。希格斯粒子早在20世纪60年代就已被模型预测，但当运行三年的LHC第一次捕捉到它时，人类对世界的科学认知才真正向前迈了一大步。
马特·斯特拉斯勒是美国知名的科普作家与理论物理学家，他认为，即使环形对撞机在未来没有发现新物理，“没有发现”本身就是一种无法通过其他任何方式获得的重要知识。对于粒子物理学当下面临的困境，斯特拉斯勒认为，我们无法预知这究竟是即将迎来革命性新发现的时刻，还是缓慢发展的开端，正反双方都有各自的论点，“但只有数据才能真正回答这个问题”。
在“降本增效”的过程中，CEPC被“逼”出来一系列创新。多位受访物理学家指出，整个CEPC的设计中，技术本身的突破虽是难点，但更大的挑战在于如何平衡科研目标与造价。以对撞点旁设置的探测器为例。作为CEPC的“眼睛”，探测器的整体结构就像一个“大型洋葱”，从内到外一层套一层，每层都“包裹”着不同功能的次级探测器。当对撞点产生的粒子开始向四周飞散时，不同层开始依次记录碰撞瞬间产生的大量粒子轨迹、速度、能量和各种特性信息。
更重要的是，就像万维网诞生于欧洲核子研究中心一样，CEPC在推进技术研发的同时，其溢出效应也辐射到高能物理之外。闪烁玻璃是探测器的一种重要材料，中国的科学家正和企业共同攻关，不仅涉及“配方”层面的研发，还要确保批量化生产时也能维持性能的稳定性，达到工业级水平。
多位受访物理学家指出，大科学装置的长远价值从来不局限于单纯科学目标的实现，而是能带动一个国家工业化与产业化水平的整体提升，乃至突破关键技术的国产化。“没有一个大科学装置像CEPC这样能涉及二三十个工业门类，包括超导、微波、精密制造、集成电路芯片与半导体材料等。”王贻芳说。
由中国科学院高能物理研究所发起的CEPC产业促进会2017年成立，迄今为止，参与联合攻关的企业已达到70多家。王贻芳指出，CEPC部件的国产化率超过95％，各项技术基本做到国际领先，目前已无核心的技术瓶颈。
在全球四个备选的“希格斯工厂”方案中，原本中国在整体进度上领先5—10年。CEPC比FCC早一年提出，又率先完成并发布了加速器与探测器技术报告。“这是中国高能物理第一次在能量前沿领域，与世界顶尖水平竞争。如果这次能抓住机会，就有望让中国成为高能物理领域未来几十年的全球中心，这不仅能提高我国高能物理人才的整体水平，也会吸引全世界的物理学家来到中国，就像CERN一样。”高杰说。
然而，由于未能获批“十五五”建设，站在起跑线上的CEPC迟迟等不到发令枪。另一边的欧洲，FCC-ee的未来似乎更加明朗。2026年即将担任CERN总干事的马克·汤姆森提到“欧洲建造‘希格斯工厂’的动力无比强烈”。
与中国不同，由于CERN的经费由20多个成员国共同分摊，其建造FCC-ee所需资金可在建设期分十年支付。同时，CERN也可用未来的年费抵押借款。利斯特指出，CERN理事会批准FCC-ee的前提是资金到位。按照目前的预估，FCC-ee的建设成本在170亿美元左右，一位接近CERN的物理学家透露，50％的费用可由机构目前的年度预算负担，欧盟已同意支付另外20％的经费，再加上美国等国的经费投入，应该说，FCC-ee的经费绝大部分已在手中。不过，利斯特也提到，考虑到大型项目未来成本上涨的风险，FCC-ee项目的成本估算仍存在约30％的不确定性，目前，CERN正在讨论永久性提高成员国会费的可能性。
王贻芳透露，还要看CERN的后续反应，该机构理事会计划在2028年左右决定是否最终批准FCC的建设。如果批准，CEPC就没有继续建设的必要。“因为两个项目非常相似，同质化竞争没有意义，我们只能选择加入欧洲的计划，做一个跟随者与合作者。如果FCC没有获批，CEPC可以继续申请下一个五年规划（2030—2035年）。”他说。
利斯特表示，欧洲物理学家已注意到CEPC未获批的事实。“这种情况表明，我们需要在大型科学项目中加强全球协调与合作。尤其是在当前形势下，基础科学项目的合作应被视为弥合政治分歧的重要窗口。”她强调。
对于CEPC当前的受挫，王建春早有心理准备。早在学生时期，他就亲历过美国超级对撞机（SSC）项目的流产，当时的理由与现在没什么区别，美国国会质疑：“为什么要花这么多钱让物理学家找看不见的粒子？”他担心的最坏结果，是CEPC和FCC都由于种种原因未能建成，那将是全球高能物理学界的重大损失，人类探索宇宙的步伐也将大幅放缓。这场围绕大对撞机的漫长“对撞”，还在继续。
