下一代大對撞機(jī)，是國際高能物理界的“兵家必爭之地”。

近期，中國環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)（CEPC）迎來標(biāo)志性進(jìn)展，正式發(fā)布了對撞機(jī)探測器的基準(zhǔn)技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)告，這是繼2023年底發(fā)布加速器技術(shù)報(bào)告后的又一突破。兩份技術(shù)報(bào)告的落地，意味著這座“全球最大的希格斯工廠”技術(shù)準(zhǔn)備已成熟，下一步，就是從藍(lán)圖走向工程建設(shè)。

2012年，人類發(fā)現(xiàn)被稱為“上帝粒子”的希格斯粒子，它在解釋物質(zhì)起源、宇宙演進(jìn)等物理學(xué)基本問題中發(fā)揮著核心作用。環(huán)形對撞機(jī)可以高效“生產(chǎn)”出大量希格斯粒子。

如果一切順利，CEPC可以在2027年左右啟動(dòng)建設(shè)，2035年左右建成。然而，中國科學(xué)院高能物理研究所研究員、CEPC項(xiàng)目牽頭人王貽芳對《中國新聞周刊》說，由于CEPC沒有被中國科學(xué)院推薦納入中國的“十五五”規(guī)劃，這項(xiàng)需要數(shù)百億元資金的大科學(xué)工程要繼續(xù)延遲。

作為地球上尺度最大的大科學(xué)裝置，圍繞大對撞機(jī)的爭論一直存在。

“尋找新物理的探針”

在瑞士與法國交界，阿爾卑斯山脈地下100米深處，埋藏著一條周長約27公里的巨大環(huán)形隧道，這就是2012年捕捉到希格斯粒子的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）。按照歐洲核子研究中心（CERN）的計(jì)劃，LHC至少還要再運(yùn)行15年，但物理學(xué)家已開始迫不及待地規(guī)劃它的“接班人”——未來環(huán)形對撞機(jī)（FCC）。

FCC的環(huán)形隧道周長約為91公里，規(guī)模是LHC的三倍多，第一階段FCC-ee（“ee”代表正負(fù)電子對撞）的整個(gè)工程造價(jià)可能超過150億美元。更大的成本是時(shí)間。FCC-ee預(yù)計(jì)到2047年左右才能運(yùn)行，這意味著，接下來的幾十年里，CERN幾乎將所有資源、幾代物理學(xué)家的職業(yè)生涯以及整個(gè)歐洲的粒子物理學(xué)未來，全部押注到了FCC上。

任何科學(xué)的重大進(jìn)展都關(guān)乎選擇。與FCC相比，中國的CEPC周長更長，規(guī)劃為100公里，首期計(jì)劃耗資360億元，是中國基礎(chǔ)研究領(lǐng)域目前為止最大的一筆投資。王貽芳說，作為一個(gè)國際合作項(xiàng)目，中國出資占比預(yù)計(jì)70％—80％，國際貢獻(xiàn)20％—30％。此前的預(yù)研階段，我國已在CEPC項(xiàng)目上投入了上億元，資金來自科技部、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院等多種渠道。

為什么粒子物理學(xué)家都會(huì)被對撞機(jī)吸引？

中國科學(xué)院高能物理研究所研究員、CEPC探測器研發(fā)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合負(fù)責(zé)人王建春對《中國新聞周刊》解釋，正負(fù)電子對撞機(jī)的原理，就是讓加速后的正電子與負(fù)電子相撞并互相湮滅，這個(gè)過程會(huì)“誕生”各種新的粒子，物理學(xué)家通過研究這些粒子及其發(fā)生的相互作用來分析宇宙最深層的規(guī)律。其中，粒子物理學(xué)家最感興趣的一個(gè)粒子，就是希格斯粒子，“它是尋找新物理的探針”。

用于解釋宇宙中所有基本粒子及其相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型，長期存在缺陷：強(qiáng)電與弱電作用力無法統(tǒng)一，真空不穩(wěn)定，無法解釋希格斯粒子自身的質(zhì)量問題??作為標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖，希格斯粒子之所以如此重要，是因?yàn)樗粌H能告訴我們“質(zhì)量從哪里來”，還可能揭示宇宙為何以現(xiàn)在的樣子存在、隱藏在可見世界之外的暗物質(zhì)如何獲得其神秘的質(zhì)量。

在中國科學(xué)院高能物理研究所研究員、CEPC加速器負(fù)責(zé)人高杰看來，希格斯粒子是人類認(rèn)識(shí)宇宙極微觀與極宏觀的最重要窗口。“有了這個(gè)窗口，我們才能嘗試回答關(guān)于演化與存在的‘終極’問題。所以，CERN在2012年7月宣布發(fā)現(xiàn)希格斯，高能所在當(dāng)年9月就提出了CEPC作為未來‘希格斯工廠’的設(shè)想，動(dòng)作非?？臁！彼麑Α吨袊侣勚芸氛f。

研究希格斯粒子性質(zhì)時(shí)，精度尤為重要。現(xiàn)有的對撞機(jī)技術(shù)路線主要有兩類：一種是CEPC與FCC這類環(huán)形對撞機(jī)；另一種是直線對撞機(jī)，代表例子是日本主導(dǎo)的國際直線對撞機(jī)（ILC）和歐洲主導(dǎo)的緊湊型直線對撞機(jī)（CLIC）。這也是目前國際上主要的四種“希格斯工廠”方案。

環(huán)形和直線型各有其支持者。選擇環(huán)形對撞機(jī)的物理學(xué)家認(rèn)為，環(huán)形最重要的優(yōu)點(diǎn)是它在特定能區(qū)具有很高的測量精度。亮度是衡量對撞機(jī)性能的一個(gè)重要參數(shù)，亮度越高，代表單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的對撞事件越多，也就意味著積累的可研究數(shù)據(jù)越多，這直接決定著測量的精度。王貽芳解釋，環(huán)形的亮度是直線型的8—10倍，相當(dāng)于在一臺(tái)直線對撞機(jī)上運(yùn)行8—10年的數(shù)據(jù)，在環(huán)形對撞機(jī)上一年就可以獲得。“因此，CEPC可以讓測量精度從現(xiàn)有的10％進(jìn)化到1％，提升10倍。”王貽芳說。

然而，直線型的支持者認(rèn)為它的“后勁兒”更大。德國電子同步加速器研究中心（DESY）的研究員珍妮·利斯特是國際直線對撞機(jī)（ILC）項(xiàng)目的探測器研究負(fù)責(zé)人之一，同時(shí)擔(dān)任歐洲未來加速器委員會(huì)（ECFA）的“希格斯工廠物理潛力”工作組召集人。她對《中國新聞周刊》解釋，F(xiàn)CC-ee可探測的能量范圍在90—365 GeV之間，相較而言，直線對撞機(jī)目前的技術(shù)上限可以達(dá)到1—3 TeV（TeV即萬億電子伏特，1 TeV=1000 GeV），未來還可以通過加長軌道或引入更先進(jìn)的加速技術(shù)，達(dá)到更高能量，探測FCC-ee上無法發(fā)現(xiàn)的粒子反應(yīng)。

利斯特認(rèn)為，這里需要做出的權(quán)衡是：是選擇低能高碰撞率，還是高能低碰撞率？“根據(jù)我個(gè)人的觀察，我的大多數(shù)同事選擇環(huán)形而非直線的主要原因，是他們認(rèn)為建造強(qiáng)子對撞機(jī)才是未來的最終目標(biāo)，F(xiàn)CC-ee是通向這一目標(biāo)的第一階段。”她說。

選擇、爭奪與“玩具”

新物理總是往更高的能量上去找。

根據(jù)規(guī)劃，CEPC與FCC都會(huì)在項(xiàng)目的第二階段將能量升級(jí)到100 TeV左右，在同一個(gè)環(huán)形隧道中，繼續(xù)修建強(qiáng)子對撞機(jī)。這樣做的好處顯而易見，可以讓不同能量實(shí)驗(yàn)的過渡與升級(jí)間不會(huì)形成太長的空窗期。CERN曾有過類似教訓(xùn)，LHC正是建于它的“前輩”——大型正負(fù)電子對撞機(jī)（LEP）的隧道里，但由于前期缺乏整體規(guī)劃，從LEP關(guān)閉到LHC開始第一次碰撞，間隔了9年。

然而，環(huán)形對撞機(jī)的反對者認(rèn)為，在當(dāng)下就考慮之后的升級(jí)，不僅意味著要開挖更寬的隧道、花費(fèi)更多的資金，更重要的是將粒子物理未來半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展方向錨定到了一條過于清晰而明確的賽道上。以FCC的二期工程FCC-hh（“hh”代表強(qiáng)子之間的對撞）為例，最早也要到2070年才能投入使用。這之前的任何新物理發(fā)現(xiàn)或其他一些能達(dá)到類似能量方案的新興技術(shù)進(jìn)展，都有可能改變?nèi)藗儗CC-hh的價(jià)值評估。

“兩階段計(jì)劃將持續(xù)到本世紀(jì)末。我們真的能夠預(yù)測如此長時(shí)間內(nèi)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展嗎？我個(gè)人認(rèn)為，從戰(zhàn)略角度來看，直線型對撞機(jī)由于其隧道基礎(chǔ)設(shè)施投入相對較少，因此為非對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)和加速器研發(fā)留出了更多空間，從而具有更大的靈活性?！崩固卣f。

圍繞大科學(xué)工程的選擇之所以困難，不僅在于科學(xué)上的爭論，還涉及資源的爭奪，這讓博弈與決策過程變得更加復(fù)雜。

華沙大學(xué)粒子物理學(xué)家亞歷山大·扎爾內(nèi)茨基在2025年發(fā)表文章《建還是不建？》。這是歐洲物理學(xué)界少有的公開對FCC質(zhì)疑的聲音。扎爾內(nèi)茨基指出，F(xiàn)CC的規(guī)模與所需的龐大資金，以及它將牽涉到CERN大部分研究人員的事實(shí)，恰恰是他反對該項(xiàng)目的理由?！霸谖铱磥?，推動(dòng)FCC-hh的主要?jiǎng)訖C(jī)是確保那些在LHC上從事強(qiáng)子對撞研究的人能繼續(xù)進(jìn)行研究。但建造FCC不僅要?jiǎng)佑肅ERN的大部分資源，還要?jiǎng)佑闷涑蓡T國分配給高能物理的大部分資源，其他研究領(lǐng)域的進(jìn)展有可能受阻?！?/p>

實(shí)際上，這些質(zhì)疑背后的更深層原因，指向了粒子物理學(xué)當(dāng)下面臨的核心挑戰(zhàn)及其充滿不確定性的未來。參與FCC論證時(shí)，以色列特拉維夫大學(xué)粒子物理學(xué)家哈莉娜·阿布拉莫維奇曾提出：我們是否要為了一個(gè)可能無法解決標(biāo)準(zhǔn)模型的“玩具”而犧牲未來50年的時(shí)間？

這是批評環(huán)形對撞機(jī)的一種核心觀點(diǎn)。多年來，粒子物理學(xué)家一直在尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，遺憾的是，自2012年在LHC上成功證實(shí)了希格斯粒子的存在之后，它尚未召喚出任何新粒子。阿布拉莫維奇發(fā)現(xiàn)，來自LHC的實(shí)驗(yàn)論文中，“探索性”論文的數(shù)量是“測量性”論文的兩倍，許多被CERN宣傳為“巨大成功”的測量結(jié)果，只是證實(shí)了之前已知的內(nèi)容，由此帶來的人類對粒子相互作用底層邏輯的理解進(jìn)展甚微。

在國內(nèi)，也有類似的質(zhì)疑聲音，其中，最知名的對撞機(jī)反對者是楊振寧。不久前，人們在紀(jì)念這位剛剛?cè)ナ赖闹Z貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主時(shí)，還會(huì)反復(fù)提起他的那句“The party is over（盛宴已過）”。楊振寧從20世紀(jì)70年代起就不看好高能物理的未來，2016年，他對大對撞機(jī)表示公開反對。同一年，CEPC預(yù)研申請進(jìn)入“十三五”項(xiàng)目，可惜差一票未能通過。

楊振寧反對的理由有二，一是花錢太多；二是用對撞機(jī)尋找新物理，過去多年來都沒有突破，未來的幾十年內(nèi)也未必能實(shí)現(xiàn)。他建議，不建大對撞機(jī)，高能物理還有兩個(gè)方向值得探索：尋找新加速器原理、尋找美妙的幾何結(jié)構(gòu)。后者指向理論研究。

然而，多位受訪的高能物理學(xué)家指出，圍繞新物理的各種猜想與理論層出不窮，但如果沒有實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，人類永遠(yuǎn)無法知道哪種理論最接近宇宙的“真實(shí)”。希格斯粒子早在20世紀(jì)60年代就已被模型預(yù)測，但當(dāng)運(yùn)行三年的LHC第一次捕捉到它時(shí)，人類對世界的科學(xué)認(rèn)知才真正向前邁了一大步。

“20世紀(jì)90年代我做學(xué)生時(shí)，物理學(xué)家普遍推測希格斯粒子的質(zhì)量很大，甚至可能達(dá)到300GeV，那樣至少要建設(shè)上千公里的環(huán)形對撞機(jī)才能把粒子加速到這個(gè)能量級(jí)別，建造這樣的裝置不現(xiàn)實(shí)。但沒想到，希格斯粒子的質(zhì)量比大家的預(yù)期小得多，這改變了后續(xù)人們對新物理的各種推測?！蓖踅ù夯貞洝?/p>

馬特·斯特拉斯勒是美國知名的科普作家與理論物理學(xué)家，過去三十年里，他撰寫了很多關(guān)于大對撞機(jī)的科普文章，他在接受《中國新聞周刊》采訪時(shí)強(qiáng)調(diào)，即使環(huán)形對撞機(jī)在未來沒有發(fā)現(xiàn)新物理，“沒有發(fā)現(xiàn)”本身就是一種無法通過其他任何方式獲得的重要知識(shí)。

對于粒子物理學(xué)當(dāng)下面臨的困境，斯特拉斯勒認(rèn)為，我們無法預(yù)知這究竟是即將迎來革命性新發(fā)現(xiàn)的時(shí)刻，還是緩慢發(fā)展的開端，正反雙方都有各自的論點(diǎn)，“但只有數(shù)據(jù)才能真正回答這個(gè)問題”。

2023年4月19日，歐洲核子研究中心（CERN）發(fā)布的手稿顯示了位于日內(nèi)瓦的未來環(huán)形對撞機(jī)（FCC）和現(xiàn)有的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）隧道。圖/視覺中國

大對撞機(jī)的未來

“選擇環(huán)形還是直線是一個(gè)艱難的決定，必須綜合考慮短期和長期的科學(xué)潛力、技術(shù)可行性以及成本?！彼固乩估照f。

實(shí)際上，在“降本增效”的過程中，CEPC被“逼”出來一系列創(chuàng)新。多位受訪物理學(xué)家指出，整個(gè)CEPC的設(shè)計(jì)中，技術(shù)本身的突破雖是難點(diǎn)，但更大的挑戰(zhàn)在于如何平衡科研目標(biāo)與造價(jià)。

CEPC基準(zhǔn)探測器設(shè)計(jì)示意圖，像“洋蔥”一樣的結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外包含多層探測器。圖/受訪者提供

以對撞點(diǎn)旁設(shè)置的探測器為例。作為CEPC的“眼睛”，王建春介紹，探測器的整體結(jié)構(gòu)就像一個(gè)“大型洋蔥”，從內(nèi)到外一層套一層，每層都“包裹”著不同功能的次級(jí)探測器。當(dāng)對撞點(diǎn)產(chǎn)生的粒子開始向四周飛散時(shí)，不同層開始依次記錄碰撞瞬間產(chǎn)生的大量粒子軌跡、速度、能量和各種特性信息。

其中有一個(gè)中間層，叫作電磁量能器，王建春解釋，它專門用來測量電子和光子的能量。當(dāng)粒子穿過量能器并和其內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)時(shí)，會(huì)丟失能量，“為了更有效地測量所有丟失的能量，并以此為依據(jù)倒推原本的能量信息，我們對量能器的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行了優(yōu)化：讓粒子沿垂直方向射入一個(gè)個(gè)縱向長條晶體，然后直接在兩端讀出信號(hào)，再用先進(jìn)的算法反推出能量沿途的分布，不用再詳細(xì)記錄粒子經(jīng)過的每一個(gè)點(diǎn)位。這種布局上的創(chuàng)新顯著壓縮了成本，還同時(shí)實(shí)現(xiàn)了能量的精確測量和粒子位置的精準(zhǔn)定位，一舉兩得”。

更重要的是，就像萬維網(wǎng)誕生于歐洲核子研究中心一樣，CEPC在推進(jìn)技術(shù)研發(fā)的同時(shí)，其溢出效應(yīng)也輻射到高能物理之外。

閃爍玻璃是探測器的一種重要材料，王建春說，中國的科學(xué)家正和企業(yè)共同攻關(guān)，不僅涉及“配方”層面的研發(fā)，還要確保批量化生產(chǎn)時(shí)也能維持性能的穩(wěn)定性，達(dá)到工業(yè)級(jí)水平。

多位受訪物理學(xué)家指出，大科學(xué)裝置的長遠(yuǎn)價(jià)值從來不局限于單純科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，而是能帶動(dòng)一個(gè)國家工業(yè)化與產(chǎn)業(yè)化水平的整體提升，乃至突破關(guān)鍵技術(shù)的國產(chǎn)化?！皼]有一個(gè)大科學(xué)裝置像CEPC這樣能涉及二三十個(gè)工業(yè)門類，包括超導(dǎo)、微波、精密制造、集成電路芯片與半導(dǎo)體材料等?！蓖踬O芳說。

由中國科學(xué)院高能物理研究所發(fā)起的CEPC產(chǎn)業(yè)促進(jìn)會(huì)2017年成立，迄今為止，參與聯(lián)合攻關(guān)的企業(yè)已達(dá)到70多家。王貽芳指出，CEPC部件的國產(chǎn)化率超過95％，各項(xiàng)技術(shù)基本做到國際領(lǐng)先，目前已無核心的技術(shù)瓶頸。

在全球四個(gè)備選的“希格斯工廠”方案中，原本中國在整體進(jìn)度上領(lǐng)先5—10年。CEPC比FCC早一年提出，又率先完成并發(fā)布了加速器與探測器技術(shù)報(bào)告。“這是中國高能物理第一次在能量前沿領(lǐng)域，與世界頂尖水平競爭。如果這次能抓住機(jī)會(huì)，就有望讓中國成為高能物理領(lǐng)域未來幾十年的全球中心，這不僅能提高我國高能物理人才的整體水平，也會(huì)吸引全世界的物理學(xué)家來到中國，就像CERN一樣?！备呓苷f。

然而，由于未能獲批“十五五”建設(shè)，站在起跑線上的CEPC遲遲等不到發(fā)令槍。另一邊的歐洲，F(xiàn)CC-ee的未來似乎更加明朗。2026年即將擔(dān)任CERN總干事的馬克·湯姆森在年初受訪時(shí)提到“歐洲建造‘希格斯工廠’的動(dòng)力無比強(qiáng)烈”。

此外，與中國不同，由于CERN的經(jīng)費(fèi)由20多個(gè)成員國共同分?jǐn)?，其建造FCC-ee所需資金可在建設(shè)期分十年支付。同時(shí)，CERN也可用未來的年費(fèi)抵押借款，就像建造LHC時(shí)那樣。

利斯特指出，CERN理事會(huì)批準(zhǔn)FCC-ee的前提是資金到位。按照目前的預(yù)估，F(xiàn)CC-ee的建設(shè)成本在170億美元左右，一位接近CERN的物理學(xué)家對《中國新聞周刊》透露，50％的費(fèi)用可由機(jī)構(gòu)目前的年度預(yù)算負(fù)擔(dān)，歐盟已同意支付另外20％的經(jīng)費(fèi)，再加上美國等國的經(jīng)費(fèi)投入，應(yīng)該說，F(xiàn)CC-ee的經(jīng)費(fèi)絕大部分已在手中。不過，利斯特也提到，考慮到大型項(xiàng)目未來成本上漲的風(fēng)險(xiǎn)，F(xiàn)CC-ee項(xiàng)目的成本估算仍存在約30％的不確定性，目前，CERN正在討論永久性提高成員國會(huì)費(fèi)的可能性。

中國的大對撞機(jī)下一步怎么辦？

王貽芳透露，還要看CERN的后續(xù)反應(yīng)，該機(jī)構(gòu)理事會(huì)計(jì)劃在2028年左右決定是否最終批準(zhǔn)FCC的建設(shè)。如果批準(zhǔn)，CEPC就沒有繼續(xù)建設(shè)的必要。“因?yàn)閮蓚€(gè)項(xiàng)目非常相似，同質(zhì)化競爭沒有意義，我們只能選擇加入歐洲的計(jì)劃，做一個(gè)跟隨者與合作者。如果FCC沒有獲批，CEPC可以繼續(xù)申請下一個(gè)五年規(guī)劃（2030—2035年）?！彼f。

利斯特表示，歐洲物理學(xué)家已注意到CEPC未獲批的事實(shí)?！斑@種情況表明，我們需要在大型科學(xué)項(xiàng)目中加強(qiáng)全球協(xié)調(diào)與合作。尤其是在當(dāng)前形勢下，基礎(chǔ)科學(xué)項(xiàng)目的合作應(yīng)被視為彌合政治分歧的重要窗口?！彼龔?qiáng)調(diào)。

對于CEPC當(dāng)前的受挫，王建春早有心理準(zhǔn)備。早在學(xué)生時(shí)期，他就親歷過美國超級(jí)對撞機(jī)（SSC）項(xiàng)目的流產(chǎn)，當(dāng)時(shí)的理由與現(xiàn)在沒什么區(qū)別，美國國會(huì)質(zhì)疑：“為什么要花這么多錢讓物理學(xué)家找看不見的粒子？”他擔(dān)心的最壞結(jié)果，是CEPC和FCC都由于種種原因未能建成，那將是全球高能物理學(xué)界的重大損失，人類探索宇宙的步伐也將大幅放緩。

這場圍繞大對撞機(jī)的漫長“對撞”，還在繼續(xù)。

發(fā)于2025.12.8總第1215期《中國新聞周刊》雜志

雜志標(biāo)題：大對撞機(jī)的“對撞”

記者：霍思伊

編輯：杜瑋