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中国为何建造CEPCSppC粒子对撞机

2019-11-15 11:18:33

题主是指计划中的CEPC和后续升级SppC么?这个问题对整个人类都适用,过去的SLAC、HERA、BEPC、SPS、LEP、Tevatron、Tristan、KEKB、LHC等,不幸夭折的SSC,计划中的ILC、LHeC、CEPC、SuperB、Supercharm-tau等等很多对撞机项目也差不多都适用。为什么要制造对撞机,科学家与政治家关心的是不同的问题。科学家关注的是具体物理问题,如何从对撞机上获取的信息进一步认识大家这个世界。比如这个计划中的CEPC或者日本计划主导的ILC,把正负电子的质心系能量设置在240-250GeV,这是Higgs粒子和Z粒子联合产生截面最大的位置。再利用电子对撞机没有复杂QCD背景的特点,可以据此对大量产生的Higgs粒子做精确的测量,比如产生截面、不同衰变道的分支比精确测量、可能的稀有衰变分支比测量、标准模型预言外的稀有衰变的寻找、衰变产物微分分布测量等等——精确测量部分是核对Higgs的性质是否符合标准模型预期,而对稀有衰变尤其是标准模型预期外的稀有衰变的寻找可以直接发现新物理的迹象或给出严格限制,其他如CP性质的测量则依赖末态微分分布。当然能量设置在这个区间就是针对Higgs的,人类每发现一种新粒子都要为此造个「工厂」——比如日本KEK的B工厂就是为B介子量身定做的,对CP破坏的测量贡献很大;而LHC开足马力运行起来每年将生产出数千万对的顶夸克,是名副其实的「顶夸克工厂」——ILC或CEPC就是为了精确测量Higgs粒子的性质而计划建造的「工厂」,并通过这个测量精确检验标准模型或寻找新物理的蛛丝马迹。至于后续计划升级成SppC,这是模仿CERN将LEP的对撞环改造升级直接为LHC所用,不需要再另外挖隧道环了。SppC的计划对撞能量是50TeV起步,当然决定到底是50还是70还是100TeV现在还太遥远了,这个能量足以媲美当年中途夭折的SSC。这方面属于能量前沿,物理目标其实不明确,因为没有人知道这个能区的物理到底是什么样子。大家只能说一些新物理模型的典型能量标度是在TeV级别以上,或者被当前实验严格限制到若干TeV,数十TeV的对撞能量有机会发现新的物理自由度或者进一步排除一些设想。这方面没人能说准到底是什么,因为本来也是探索性质,看看几个或者超过十个TeV以上能区的物理到底是什么样子。强子对撞机不太适合精确测量,因为有巨大的QCD背景干扰;但是因为质子比电子重很多,它的电磁辐射损失相对弱,所以容易加速到更高的能量;而高能质子的对撞中部分子分布函数可以非常大,相比电子对撞机更适合发现新粒子。政治家关注的问题不一定直接与科知识题相关,更要关注现实利益,这属于分工差异。现在的粒子物理研究对在世的大部分人来说有生之年无法变现,但无法直接变现不代表没有现实利益,这种大工程需要许多技术上的支撑,而这些可能作为副产品投入到工业、军事或民生中。一个典型例子是大家天天都在用的WWW,当初是CERN为了数据传输而搞出的副产品,如今的影响范围远不止粒子物理领域内。高能所的王贻芳老师提到过科技部审核时候关心的问题——一是科学意义,二是技术意义,三是国际合作。这里科学意义就是前两段所说的,科学家们关心的物理问题,这只是占一部分,政治家们不太懂这方面的东西;而技术意义就是指为了完成科知识题所发展出来的技术副产品,可以如何转化为日常可应用的技术;至于建立国际合作,这个长期来看是有利的,对本土相关人才的培养帮助会很大,政治家关心的问题也不能全放在眼前。这些就是科学家和政治家各自关心的建造理由,不过因为投入巨大,风险都会被仔细评估。而且像科学意义到底多大,很多事情都不清楚,很难用数值评估,也就是说这个投入是否划算难以说清,这就使得这台机器的未来多有变数。对撞机呐就都不知道,自己不可以预料,一个对撞机的命运啊当然要靠自我奋斗,但是也要考虑历史的进程。

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