1、29 物理前沿 26卷第2期(总152期) 建设大型加速器 实现科学梦 王贻芳 （中国科学院高能物理研究所 100049） 在 2012 年欧洲核子中心发现希格斯粒子以后， 基础物理学的发展面临一个转折点和一个难得的机 遇。我们建议建设一个世界上最大的加速器基地，研 究希格斯粒子及相关的科学问题，并寻找未来发展的 突破口。该项研究将需要使用和发展世界上最先进的 加速器、机械、电子、微波、低温超导、计算机及网 络等技术，可以大大推动相关领域的发展。该研究将 有国内外上万名科学家与工程师直接参与，要用国际 化的方式运作、管理，因此需要建设一个国际化的大 型科学研究中心。建议以国家、地方、企业与个人
2、捐 赠的方式筹集经费，并吸引相关设备服务企业及国内 外大型研究机构进驻，建设一个大型国际研究中心、 地下加速器设施及配套的国际科学城，发展成为一个 世界科学中心。在未来 20 年内，随着中国经济实力 的发展，中国应该拥有这样世界顶级水平的大型科学 研究中心并引领世界科技的发展。 大型环形加速器的设想 2012 年 7 月 4 日，欧洲核子中心（CERN）宣布 大型强子对撞机（LHC）上的实验发现了人们期待已 久的希格斯粒子，这是人类对物质世界认识的一个里 程碑：一方面标准模型里的基本粒子全都找到了，我 们似乎完成了对物质结构的理论描述；另一方面一个 超出标准模型的新时代开始了。 科学家们都认为
3、标准模型并非终极理论，在某种 程度上类似于有效理论，因为标准模型有许多令人困 惑的地方。比如为什么基本粒子从中微子到顶夸克的 质量相差如此之大（等级性问题）？希格斯粒子的质 量来自于辐射修正的大数相消，为什么这么巧（自然 性问题）？从实验数据上看，弱电和强相互作用为什 么在高能下不能统一一致？暗物质粒子都是些什么样 的粒子？为什么这些问题在超对称理论模型中似乎都 能得到解决？是偶然的吗？否则，为什么我们在欧洲 大型强子对撞机 (LHC) 上没有发现？是能量和亮度太 低吗？ 科学家们自然开始讨论：基础物理学将向何处发 展？许多人集中在讨论大型强子对撞机（LHC）及其 升级版和国际直线对撞机（IL
4、C）LHC 能做什么，另 一些人提出建造一个环形正负电子对撞机（Higgs 工 厂）。国内的科学家们还讨论了北京正负电子对撞机 （BEPC ）在 2020 年完成其科学使命之后，我们的 发展目标是什么？许多人认为，LHC 和 ILC 可能会给 我们一些提示，也可能会发现一些新粒子，但无法给 出全部回答。在 2012 年 9 月的一次讨论会上，有人 为我国高能物理的发展提出一个新的方案：在我国建 设一台周长5070 km的环形正负电子对撞机 （Higgs 图 1 大型环形加速器的设想 .科学家在想什么. “科学家在想什么”是本刊在专家的建议下开辟的新栏目，将不定期刊出。本栏目试图通过介绍科学家对
5、 自身研究领域的关注热点、研究计划、研究目标及其对研究前景的展望，来提升读者对相关科学领域的认知高 度和深度。希望有关专家、学者踊跃投稿，以保证此栏目繁荣。 30 物理前沿 现代物理知识 工厂），如图 1。能量为 240 GeV。这可以大量产生 希格斯粒子，精确研究其性质，寻找回答以上科学问 题的线索。运行若干年后，在同一隧道内建设一台质 子 - 质子对撞机，能量超过现在 LHC 的 7 倍，以寻 找新的物理现象与新粒子，回答以上问题。根据一些 与模型无关的分析，如自然性问题等，新物理估计在 这个范围内。 该方案立刻传布到国外，并于 2012 年 10 月首次 在国际会议上报告，产生了重大影响
6、。大型环形质子 对撞机成为大家讨论的焦点，并成为未来发展的一个 重要方向。欧洲于 2013 年初将其纳入粒子物理发展 路线图的范围，欧洲核子中心（CERN）组织了对未 来环形对撞机（FCC）的设计研究。2014 年 2 月召开 了首次项目启动会。国际未来加速器委员会（ICFA） 2014 年 2 月 21 日正式宣布将支持这样的研究并鼓励 全球合作。 建设方案 经过多次研讨， 特别是在2013年6月香山会议上， 这个设想得到了国内高能物理学界的支持。我们组织 队伍，开始了方案设计、初步寻址、造价估计等工作， 也启动了国际合作的相关工作。 为建设周长达 50 70 km 的环形对撞机，首先 需要
7、建造一条宽约 7 m 的地下隧道，以节约用地并屏 蔽辐射。隧道埋深大约在地下 50 100 m 左右，以 不影响地面建筑。为节约造价，减低建造风险，提高 建设速度，一般要求地质条件为花岗岩。目前在中国 建造这样的隧道没有技术难度，造价大概也是全世界 最低的。 该项建设应当选择环境优美、旅游资源丰富、人 文条件好、国际化基础好、地质条件好、交通方便、 地方政府支持且有未来发展潜力的地区，以发展出国 际科学城。 首期正负电子对撞机（CEPC）的设备主要包含 超导高频加速系统、普通常温磁铁、真空、电源、束 侧等，大部分技术我们基本掌握，总体上没有大的技 术困难。初步的设计参数如下： 参量单位数值参量
8、单位数值 束流能量GeV120周长km50 对撞点数目2 每个对撞点的 亮度 (1034) cm-2s-12.62 每个对撞点每 年产生的希格 斯粒子数 1E+05 1105 总功耗MW200 偏转半径km6.2 每束团中的粒 子数 1E10 11010 35.2 每圈同步辐射 能量损失 (GeV/turn)2.96 每束同步辐射 功率 MW50 束-束频移 （水 平 / 垂直） 0.1/0.1 同步振荡频数0.13 高频电压 VrfGV4.2动量压缩因子 1E-4 110-4 0.4 二期质子对撞机（SppC）需要制造大量的超高场 强超导磁铁，技术难度较大。但由于我国参加了 ITER 项目，
9、超导导线方面还不是完全空白，高能所也有大 型螺线管超导磁铁的基础。相信通过 20 年左右的努 力和国际合作的帮助，应该可以掌握。初步的设计参 数如下： 参量SppC-1SppC-2 束流能量（TeV）2545 周长（km）49.7869.88 对撞点数22 每圈同步辐射能量损失（keV）4404090 每束团粒子数（1011）1.30.98 每束流束团数30006000 束流流强（mA）0.50.405 最高磁场强度（T）1219.24 对撞点水平 / 垂直包络函数（m）0.1/0.10.1/0.1 每对撞点水平 / 垂直束 - 束作用因子0.0040.004 几何亮度下降因子0.80.9 每
10、对撞点对撞亮度 (1035cm-2s-1)2.152.85 我们也制定了一个设计、研制的时间计划，如下 表所示。 时间主要工作内容 2015 2020CEPC 设计、预研 2021 2027CEPC 建造 2027 2035CEPC 运行 2015 2030SppC 设计、预研 2030 2040SppC 建造 2040 2050SppC 运行 在中国建设这样一台加速器，将引领国际高能物 理及相关技术的发展，使我们确定无疑地全面领先国 际，成为国际研究中心。这是近代以来国人梦寐以求 的事，也可以成为中华民族全面复兴的标志。该建设 与科学研究将需要国内外上万名科学家与工程师，用 国际化的方式运作
11、、管理，因此需要建设一个国际化 31 物理前沿 26卷第2期(总152期) 的大型科学研究中心。依托该研究中心，还会有许多 相关设备及服务企业，围绕该中心可以建设一个国际 科学城，并发展成为一个世界科学中心。 投入产出分析 虽然该项目投资巨大，但回报明确，包括：（1） 确定的世界领先科学成果；（2）关键技术的研发、 进步和推广，带动中国高端制造业发展，加快社会与 经济的发展；（3）科学思想及理念的普及推广；（4） 高端人才的聚集与引进；（5）青年人才的培养和教 育质量的提升； （6） 管理方式的国际化及其推广； （7） 地方社会与经济的发展；（8）国际合作及科技外交； （9）提高中国的国际威望，加强软实力。 基于加速器的高能物理研究引领了战后对物质根 本结构的研究。美国、欧洲、日本等科技发达国家在 过去 60 多年里，均投入巨资，不断建造各种大型加 速器，使我们对物质结构的认识有了巨大的发展，先 后有几十位科学家因此获得诺贝尔奖。加速器技术本 身也得到了飞速发展，并在医疗、工业、科研、安全 检查等方面有了大量的应用。
