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到底要不要建超级对撞机?看看他国如何取舍
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来源:上观新闻 作者:环球 2019-12-09 19:06
摘要:这几天,一篇名为《杨振宁的最后一战》的自媒体文章刷屏,人们再次聚焦中国是否应投入巨资建设大型对撞机这一话题。

这几天,一篇名为《杨振宁的最后一战》的自媒体文章刷屏,人们再次聚焦中国是否应投入巨资建设大型对撞机这一话题。全球范围内,对于这样一种高投入设施,即使是经济富裕、重视科研的欧美和日本,也都慎之又慎。

支持者主张,超级对撞机是中国高能物理学的一个重大历史机遇,一个能够领跑世界的机会;反对者认为,建超级对撞机耗资巨大,像无底洞,性价比不高,在国家科研经费投入总体相对稳定的情况下,这样的工程将会挤占其它研究的份额。巨额投入与尚不明朗的研究前景,让各国掂量再三。

图为2013年9月29日,参观者在大型强子对撞机的隧道里听向导讲解 新华社/EPA欧新

美国:主动放弃“烧钱”竞争


美国超导超级加速器(SSC)建设项目在上世纪的“夭折”,是美国科学史上的伤心往事,不少高能物理研究人员提起此事都叹息连连。美国从大型对撞机竞争中“出局”,此后也未就开建新一代大型对撞机有新规划。

在SSC项目选址地得克萨斯州爱丽丝,已建成的22.5公里的地下隧道被弃。美国物理学会会士韩涛对记者说:“宣布终止SSC让高能物理研究的中心从美国移到欧洲。”

SSC对撞能量达40TeV(万亿电子伏特)。然而该项目经过几年建设,在完成了约20%、花掉了20亿美元后于1993年被美国国会取消。

当年美国物理学界分为两派,反对建设方主要担心对撞机挤占其他基础科学研究经费,影响力最大的声音来自诺贝尔奖得主菲利普·安德森。

菲利普·安德森在反铁磁性、高温超导等领域有重大贡献,1977年获得诺贝尔物理学奖,是美国SSC项目最有影响力的反对者 图自新华每日电讯

菲利普·安德森曾在接受记者采访时说:“我认为反对建设超级对撞机终究还是对的。”他认为,粒子物理学家太执著于高能量对撞这个代价极大的单一研究方式,而忽略了其他重要的实验事实(比如暗能量、丢失零点能、暗物质等问题)比追逐高能量还有意义。

如今,美国最高能量的对撞机是始建于1983年的费米实验室的加速器Tevatron,对撞能量为1.96TeV。美国更寄望通过中微子研究揭示“标准模型”外的秘密。费米实验室计划耗资10亿美元建造长基线中微子设施,于2026年向不同探测器发射中微子束,成为世界中微子研究的领导者。

欧洲:谨慎决定未来方向


欧洲拥有全球最大、能量最高的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC),其质子对撞能量为14TeV,轨道长度27公里,有来自30多个国家的超过2000名物理学家参与。研究者所属的大学与实验室共同出资兴建这一耗资约80亿美元的“大家伙”。LHC所在的瑞士日内瓦与法国交界地区已发展为一座汇聚全球研究者的科学中心,有100多位中国研究者在那里工作。

2012年,科学家宣布利用LHC发现了被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子,完成了粒子物理所谓的“标准模型”。然而,LHC目前已经达到其设计能量,要进一步寻找新粒子,需建设能量和精度更高的机器。

负责运营LHC的欧洲核子研究中心(CERN)发言人阿诺·马尔索利耶2016年在接受新华社记者专访时说,未来10年LHC将进行大规模升级,并运行至2035年,届时产生的对撞能量将是现在的数倍。

“但在任何关于新对撞机的决定敲定前,我们需要积累更多来自LHC的结果,这些结果将决定未来选择的方向,”马尔索利耶说。

2019年1月15日,在中国完成大型环形正负电子对撞机(CEPC)概念设计报告2个月后,CERN也公布了 " 未来环形对撞机 " (FCC)的概念设计报告,提出投巨资分两步建设下一代超级对撞机,计划在本世纪50年代完成建设。

根据新报告,FCC将成为LHC的继任者。

CERN加速器和技术总监弗雷德里克 · 博尔德里说,FCC的最终目标是提供一个100公里长的环形超导质子加速器,其能量可达100TeV,比现有的大型强子对撞机高一个数量级。

根据这份报告,FCC的建设将分两步进行。第一步是投入90亿欧元,完成100公里的隧道建设,并建设一个大型的正负电子对撞机,预计这一步工作可在2040年前后完成;第二步是再投入150亿欧元,完成超导质子加速器的建设,预计能在本世纪50年代后期投入使用。

该中心表示,FCC构想如能实现,将以前所未有的能量让基本粒子碰撞,能用于精确研究希格斯粒子之间如何相互作用,还有助于探索暗物质、反物质等。

日本:注重“经济实用”


日本已经完成了下一代大型对撞机的初步工程设计,并得到美国能源部和CERN的支持。与欧洲不同,日本选择建设更加“经济实用”的直线对撞机。

日本高能加速器研究机构(KEK)冈田安弘接受新华社专访时介绍,日本研究界一直在向政府建议由日本主导国际直线对撞机(ILC)计划。

冈田安弘说,ILC将在总长约31公里的地下隧道开展正负电子对撞,虽然对撞能量仅为1TeV,却可更好地分析对撞后新粒子特性,在精密测定希格斯粒子、探寻新物理方面的能力远超LHC,还可在发现暗物质粒子方面加强同LHC的互补性研究。ILC将与CEPC形成竞争关系。

ILC拟由日本国内外的物理学家担纲进行设计和开发,由日美欧分担费用,打算在2025年前后动工,力争在本世纪30年代中期开始运转。预计ILC建设费用为8000亿日元左右,日本分担3000多亿日元。由于担心对财政造成沉重负担,日本政府表示“需要谨慎地研究”,没有正式决定在日本建设。

国际直线对撞机(ILC)效果图 图自ILC项目官网

一些研究者认为,目前谨慎的日本、欧洲和尚无计划的美国会给中国建设大型对撞机带来难得的“窗口期”,中国的经济基础和科技决策机制在推行大科学项目上更具优势;但反对者认为中国并不具备欧洲多年的技术积累、人员合作基础和完备的配套基础设施,也没有日本的“差异化”竞争策略。

来源:新华社、参考消息

栏目主编:秦红 文字编辑:李林蔚 题图来源:新华社 图片编辑:笪曦
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