陳繕真 楊海軍

（1.中國科學院高能物理研究所 100049；2.上海交通大學物理與天文學院 200240；3.上海交通大學李政道研究所 200240）

1.前言

2012 年7 月4 日，在歐洲核子研究中心的主報告廳里舉行了一場特別的全球新聞發(fā)布會，在大型強子對撞機LHC上運行的兩個大型實驗ATLAS和CMS，同時宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，揭開了基本粒子質(zhì)量起源之謎①②。半個世紀以前預言了希格斯粒子的彼得·希格斯(Peter Higgs)和弗朗索瓦·恩格勒(Fran?ois Englert)也被邀請到現(xiàn)場。彼得·希格斯，這位時年83 歲的老人喜極而泣，他說：“這一切竟然發(fā)生在我的有生之年，真是令人難以置信?！比驍?shù)千家媒體和電臺進行了廣泛的報道，美國《科學》雜志將希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)評為2012年度最重大的科學發(fā)現(xiàn)③。

這是一個期待了近半個世紀的實驗結(jié)果，六位理論物理學家在1964 年發(fā)表的研究成果終于被實驗所證實了，弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯因此榮獲了2013年度的諾貝爾物理學獎。

為什么這個發(fā)現(xiàn)如此的令人激動？因為，在物理學最微觀和基本的分支——粒子物理學半個多世紀的發(fā)展過程中，科學家逐漸建立了一整套理論框架，這個框架被稱為粒子物理學的標準模型。而這個框架下最基本的粒子幾乎都被發(fā)現(xiàn)了，希格斯粒子被認為是最后一個最基本的粒子，所以也被人稱作是“標準模型的最后一塊拼圖”，參見圖1。

圖1 粒子物理標準模型的基本粒子

希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)揭示了基本粒子質(zhì)量的起源，填補了標準模型最后也是最重要的基石，從某種意義上完備了標準模型理論，成為粒子物理學研究的一個重要里程碑。粒子物理標準模型的發(fā)展和完善，凝聚了幾代人近一個世紀的心血。

2.泡利的疑惑：粒子的質(zhì)量在哪里

如果我問你，這個世界上有多少種“力”？你可能會列舉“重力、摩擦力、磁力、壓力、浮力……好多好多！”但是如果要問一個現(xiàn)代的粒子物理學家，世界上有多少種“力”，你得到的答案一定是四種，強核力(強相互作用)，弱核力(弱相互作用)，電磁力和萬有引力。那么普通人眼中的力的種類為什么和物理學家眼中的不一樣呢？那是因為，除了重力來源于萬有引力之外，幾乎所有在生活中能感受得到的力本質(zhì)上都來自于電磁相互作用力。你可能會有疑問，那些不帶電的物體產(chǎn)生的力為什么本質(zhì)上也是來自電磁力呢？其實，像是摩擦力、壓力等看似沒有電和磁參與的力，從微觀層面來看，都是分子之間的相互作用，而分子之間是通過它們本身的電磁場互相影響彼此的，所以，這些宏觀上不帶電和磁的力，從本源上來講其實還是電磁相互作用力。那么，為什么我們看到的世界感受不到引力和電磁力之外的那兩種力呢？強核力，弱核力，它們究竟是什么？其實，就像它們的名字所暗示的那樣，強核力和弱核力的作用范圍都特別短，都只能在原子核內(nèi)部才能發(fā)揮作用，也都是實驗物理學家們通過對放射性衰變的分析才被發(fā)現(xiàn)的。強核力就像是橡皮筋一樣，拉住了因為帶著同樣的電荷而互相排斥的原子核內(nèi)的粒子，而弱核力則是啟動放射性衰變，以及恒星中氫聚變過程的一種力。

人類最熟悉的基本作用力是萬有引力，這也是在宇宙尺度上維系星體運動的最直觀的作用力。而由于上百年來電磁學以及電動力學理論的發(fā)展，特別是19 世紀中葉英國物理學家麥克斯韋總結(jié)了一組描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的偏微分方程——麥克斯韋方程組之后，人類已經(jīng)對于宏觀的電磁力以及它的傳播子光子有了深刻的了解。然而，不同于這類能夠輕易觀測到宏觀效應的引力和電磁力這兩種長程作用力，人類對于另外兩種基本短程的作用力的認知過程則艱難得多。因為對另外兩種力的研究一開始都只能在放射性衰變這樣的看不見摸不著反應中才能進行。在19 世紀末放射性元素被發(fā)現(xiàn)之后，歐內(nèi)斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)和約瑟夫·湯姆孫(Joseph Thomson)通過在磁場中研究鈾的放射線偏轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)鈾的放射線有帶正電的，帶負電的和不帶電的三種。他們把這三種射線分別被稱為α射線，β射線(也就是電子)和γ射線，相應的發(fā)出α射線和β射線的衰變過程也就被命名為α衰變和β衰變。

1930年的物理學界，人們在討論一個嚴肅的問題，β衰變中能量、動量以及自旋角動量到底守不守恒，因為在那時實驗上觀測到的β衰變的電子能量譜線總是呈現(xiàn)出一種彌散的狀態(tài)，而不是兩體作用給出的單一能量值。這個問題如此深刻地觸及到了基本守恒律，幾乎動搖了上百年來的物理學基石。但是在那個年代，相對論、量子理論的發(fā)展已經(jīng)將物理學家的世界觀打碎了一次又一次了，人們已經(jīng)開始在謹慎的考慮守恒律也被打破的可能性了。但是時年僅三十歲的奧地利物理學家沃爾夫?qū)づ堇?Wolfgang Pauli)是守恒律的堅定信徒，他為了解釋這個問題，提出了一個假設(shè)：他認為，在β衰變的過程中，除了實驗中觀測到的帶電粒子射線之外，還有一束不帶電的粒子射線。這類粒子如此之小又如此之孤僻，以至于當時的各種探測器都無法觀測到它，這種粒子就是中微子(泡利最初將其稱之為“中子”，但是在兩年之后詹姆斯·查德維克(James Chadwick)發(fā)現(xiàn)了真正的中子之后，恩里科·費米(Enrico Fermi)和泡利重新將其命名為“中微子”)。這也是歷史上第一次有弱核力參與的衰變過程的表達式被完整的寫出。幾年之后的1935年，為了解釋原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子是如何被束縛在一起的，日本科學家湯川秀樹提出了強核力的理論。

在那之后的二十年，物理學界對強核力、弱核力進行了更加深入的研究。時間到了1953年，科學家們想要仿照麥克斯韋方程組，寫出描述核子、介子以及它們的相互作用的方程。此時長期研究規(guī)范場的泡利首先取得了一些突破，他通過純粹的數(shù)學工具嚴謹?shù)赝茖С隽艘粭l能夠統(tǒng)一描述電磁力場和核力場的非阿貝爾規(guī)范場方程。此時的泡利已經(jīng)53 歲，知名于“泡利不相容原理”等理論、年少成名的他此刻已是載譽滿身的大科學家，被學界稱為“物理學的良心”和“上帝的鞭子”。雖然他寫出的非阿貝爾規(guī)范場方程在數(shù)學上很美，但是他意識到這條方程在物理上還存在著致命的缺陷，那就是方程存在發(fā)散項，這意味著這條方程預示著規(guī)范場必須存在質(zhì)量為零的傳遞相互作用的規(guī)范粒子來維系方程的關(guān)系。然而，質(zhì)量為零的規(guī)范粒子就意味著它傳遞的相互作用力應該是長程力，應該在無限長的距離外都能接收到它的力的作用，這和現(xiàn)實中發(fā)現(xiàn)的核力均為短程相矛盾。因此，泡利認為他的理論“導致了一些相當不實際的陰影粒子”，所以治學嚴謹?shù)乃皇窃趲讏鰣蟾鏁险務摿诉@個理論，但是選擇了不發(fā)表這項成果④。

1954年，楊振寧與合作者羅伯特·米爾斯(Robert Mills)也寫下了一條類似的方程，他們希望這條方程能夠描述強核力。不同于謹小慎微的泡利，他們選擇將研究結(jié)果快速地發(fā)表了出來(稱作楊-米爾斯方程)，并且開始了學術(shù)圈內(nèi)的宣傳。楊振寧在普林斯頓做了一場關(guān)于這條方程學術(shù)報告，而這場報告的會場里大師云集，儼然是一場華山論劍。其中，這里面就坐著前一年寫出過同樣概念方程的泡利。當楊振寧在黑板上寫下了新發(fā)現(xiàn)之后，卻被坐在臺下的泡利打斷道：“方程描述的這個場的質(zhì)量是什么？”泡利的問題簡單卻深刻，卻像是內(nèi)力渾厚的一陽指直戳了這條理論的軟肋：它無法描述現(xiàn)實中有質(zhì)量的粒子，而這一點泡利自己再清楚不過了。泡利本希望能見證一場精彩的見招拆招，但是楊振寧只尷尬地回答道：“我不知道……”。質(zhì)量！質(zhì)量到底到哪里去了？這是泡利最關(guān)心的問題。沒有解決粒子質(zhì)量的來源問題，一切美好的方程都是紙上談兵。不出意外，在那之后相當長的時間內(nèi)，這條非阿貝爾規(guī)范場方程都沒有發(fā)揮出真正的作用，但當時大家可能都沒有料想到，多年以后，這條本有缺陷的方程所描述的規(guī)范對稱性竟成為了粒子物理標準模型的基石之一。

3.基本粒子的“元素周期表”

不同于泡利等人癡迷于研究物質(zhì)間的相互作用，有另一批科學家此刻正沉迷于研究物質(zhì)本身的組成。我們知道，這個世界上所有的宏觀物體都是由無數(shù)的微小的叫做原子的粒子組成的。而原子則是由一個位于其中心極小的空間上的原子核和若干個在核外空曠的空間內(nèi)繞核運動的電子組成。原子核內(nèi)包含若干個緊密結(jié)合在一起的質(zhì)子和中子，這些原子核內(nèi)質(zhì)子和中子不同的數(shù)目就決定了不同的原子有不同的物理性質(zhì)。我們所熟悉的氧、碳、氫等不同的原子就是靠它們原子核內(nèi)質(zhì)子的數(shù)量不同而表現(xiàn)出了不同的性質(zhì)。但是質(zhì)子和中子就是組成物質(zhì)的最小結(jié)構(gòu)了嗎？科學家們對此的認知逐漸隨實驗進展而產(chǎn)生了變化。在20世紀50 年代，研究微觀粒子實驗的物理學家們發(fā)現(xiàn)，有少量的一些粒子表現(xiàn)非常奇怪，壽命比其他粒子長得多。為了解釋這些粒子的奇怪現(xiàn)象，在20世紀60年代初，以莫里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann)為代表的粒子物理學家提出了夸克模型的概念，認為絕大多數(shù)粒子都只含有上夸克(up quark)和下夸克(down quark)，而這些表現(xiàn)奇異的粒子的結(jié)構(gòu)中則含有另一種與下夸克電荷一致的成分——“奇異夸克”(strange quark)。雖然這樣一個包含三種夸克的夸克模型成功地描述了20世紀60年代所發(fā)現(xiàn)的幾乎所有除了輕子以外的粒子的物理性質(zhì)，然而這種帶有分數(shù)電荷的假設(shè)無論如何在那個年代來看都有些許的瘋狂。

在同一個時代，著名的物理學家理查德·費曼(Richard Feynman)為了理解基本粒子的行為和分類提出了另外一種模型，叫做“部分子模型”?？淇四Ｐ团c部分子模型都可以解釋一些粒子分類上的問題，所以直到在這之后的20世紀60年代末，粒子物理學界都還沒有完全接納夸克模型，連夸克模型的提出者蓋爾曼都一直保持著謹慎小心的態(tài)度，表示夸克模型只是一個數(shù)學模型，并試圖模糊化處理夸克是否真實存在的話題。甚至在斯坦福直線加速器中心(SLAC)在1968年發(fā)現(xiàn)質(zhì)子內(nèi)確實存在更深層次的次級結(jié)構(gòu)時，科學家們?nèi)匀桓敢庀嘈疟话l(fā)現(xiàn)的次級結(jié)構(gòu)是部分子而非夸克。

那么事情是如何出現(xiàn)轉(zhuǎn)機的呢？夸克模型究竟是如何成為了粒子物理學家們的共識的呢？在蓋爾曼提出夸克模型后不久，謝爾頓·格拉肖(Sheldon Glashow)和詹姆斯·比約肯(James Bjorken)在蓋爾曼的包含三種夸克的模型之上提出了第四種夸克存在的假設(shè)，格拉肖和比約肯把這個他們構(gòu)想中的第四種夸克命名為“charm”。charm這個詞有“魔力，魅力，吸引力”的意思，格拉肖認為charm夸克的魅力可以讓夸克模型更加的完善。

我國著名的物理學家王竹溪先生把這類夸克翻譯為“粲夸克”，“粲”這個字的意思有“美，鮮明”的意思，既和英文charm的發(fā)音相似，又表達了類似于英文原詞的含義。格拉肖和比約肯似乎是對于數(shù)學上對稱美的極致追求者，他們認為在蓋爾曼等人的模型中既然有一個與下夸克類似的奇異夸克，那么就應該會有另一個和上夸克類似的夸克，不但如此，新的夸克的加入還能使得自然界最基本的相互作用之一的弱相互作用得到更好的描述。然而，他們的猜測在當時并未受到重視。真正使得粲夸克的假設(shè)被更多的人重視起來的是1971 年由格拉肖、約翰·李爾普羅斯(John Iliopoulos)和盧奇亞諾·梅安尼(Luciano Maiani)一起撰寫的一篇論文，提出了所謂的GIM 機制。格拉肖對于粲夸克理論非常有信心，他甚至在一場于1974年舉辦的國際會議里立下賭注，如果在兩年內(nèi)找不到粲夸克，他就會把他的帽子吃掉！

事情果然沒有讓格拉肖失望。就在他立下吃帽子賭局之后不久，幾個實驗團隊就發(fā)現(xiàn)了一些有趣的新結(jié)果。1974年9月，位于美國布魯克海文國家實驗室的丁肇中實驗團隊利用將高能量質(zhì)子朝著鈹標靶射擊，并從碰撞產(chǎn)物中，尋找正負電子對的方法，發(fā)現(xiàn)了一個奇特的信號：他們發(fā)現(xiàn)，總能量為31億電子伏特的正負電子對出現(xiàn)頻率非常多，這意味著一種帶有31 億電子伏特的質(zhì)量的新粒子被大規(guī)模的產(chǎn)生了出來。在粒子物理學家看來，質(zhì)量與能量是等價的，而31億電子伏特的能量相當于一個電子在31 億伏特的電壓下所獲得的能量。丁肇中的學術(shù)聲譽非常好，做實驗非常小心謹慎，他不愿意冒進發(fā)表任何可能有錯誤結(jié)果。由于在粒子物理實驗中，經(jīng)常會有因儀器原因?qū)е碌母蓴_信號，在尚不能確定這實驗結(jié)果不是某種錯誤電子信號之前，丁肇中團隊都在秘密地分析核對他們的實驗數(shù)據(jù)。與此同時，在美國斯坦福直線加速器中心，伯頓·里克特(Burton Richter)的實驗團隊設(shè)計與建成了一種新型對撞機——斯坦福正負電子非對稱環(huán)(SPEAR)，在這臺對撞機里，電子與正電子以相反方向轉(zhuǎn)動與碰撞。1974年11月10日，他們在31.05億電子伏特的能量上也找到很多粒子被產(chǎn)生出來的事件，同樣，這意味著一種新粒子存在的跡象，他們將這個新粒子命名為“ψ介子”。里克特迫不及待的想要將這項成果公諸于世，于是他們決定，在第二天發(fā)布這個消息。

無巧不成書，11 月10 日，就在里克特的實驗團隊發(fā)現(xiàn)他們新結(jié)果的當天，本來遠在美國東海岸的丁肇中恰巧到了美國西海岸的斯坦福直線加速器中心開會。在這里，丁肇中得知里克特實驗團隊發(fā)現(xiàn)新粒子的消息后，發(fā)現(xiàn)里克特團隊發(fā)現(xiàn)的新粒子與自己團隊發(fā)現(xiàn)的新粒子的質(zhì)量如此接近，他不得不懷疑兩個團隊是不是發(fā)現(xiàn)了同一種粒子。于是丁肇中決定不再猶豫，立刻也要將自己團隊的發(fā)現(xiàn)公諸于世，并且將他們發(fā)現(xiàn)的粒子命名為“J 介子”。11 月11 日早上8 點鐘，丁肇中與里克特在SLAC實驗室主任辦公室會面。雙方對對方團隊的新發(fā)現(xiàn)都表示了祝賀。經(jīng)過一番溝通后，他們才確定了他們發(fā)現(xiàn)的新粒子果然是同樣一種粒子。于是，他們立刻將他們的實驗結(jié)果分別公之于眾，并寫成兩份報告，同時發(fā)表在了《物理評論快報》的12月份期刊。因為兩個團隊分別獨立發(fā)現(xiàn)并命名了新粒子，為了使得兩人的貢獻都得到認可，學界將這個粒子命名為J/ψ粒子，這也是基本粒子家族中唯一一個由兩個字母名字組成的粒子名字。J/ψ粒子的性質(zhì)不同于以往發(fā)現(xiàn)的任何粒子，以至于只有格拉肖和比約肯在夸克模型下預言的粲夸克才能合理地解釋J/ψ粒子的存在。事實上，J/ψ粒子是由一個粲夸克與一個反粲夸克共同組成的。J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)在粒子物理學界里引起一場革命(后來被稱為“十一月革命”)，因為它意味著夸克模型理論并不是紙上空談，由于粲夸克的發(fā)現(xiàn)，強子被證實是由夸克組成的。然而這并不是夸克發(fā)現(xiàn)故事的結(jié)束。在丁肇中與里克特忙于加速器和對撞機實驗的時候，另一批科學家在另外的領(lǐng)域的研究表明，夸克的數(shù)量可能比格拉肖和比約肯相信的還要多。早在1956 年，為了解釋兩種質(zhì)量和壽命相同，看起來像是同一種的粒子的θ+粒子和τ+粒子(后來被證實其實就是同一種粒子，現(xiàn)在叫做K+介子)，卻有著不同的宇稱量子數(shù)和不同的衰變產(chǎn)物，李政道和楊振寧提出，在弱相互作用中，微觀粒子的行為可能宇稱量子數(shù)并不守恒。宇稱的守恒對應的對稱性是“左”和“右”的對稱，也就是說，李政道和楊振寧推測在微觀世界中，“左”和“右”的物理規(guī)律并不完全相等同。

這個推測在當時的年代頗具震撼力，打破了被千百年來人類視為金科玉律的觀念。第二年，吳健雄等科學家在對鈷60(60Co)衰變的觀測中證實了這項推測，她利用兩套裝置中互為鏡像的鈷60設(shè)計了一個實驗，一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉(zhuǎn)向左旋，另一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉(zhuǎn)向右旋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在極低溫的情況下兩套裝置中放射出來的電子數(shù)有很大差異，進而證實了李政道和楊振寧的假說。同年，李政道和楊振寧因為這一項劃時代的假說，獲得了1957年的諾貝爾物理學獎。

在弱相互作用下的宇稱的對稱性破缺被發(fā)現(xiàn)后不久，物理學家發(fā)現(xiàn)在弱相互作用下，電荷共軛的對稱性也是破缺的。此時，列夫·朗道(Lev Landau)以及李政道和楊振寧認為，電荷－宇稱(C-P)兩個量子數(shù)的聯(lián)合，應該保持著良好的對稱性。電荷－宇稱對稱性的守恒可以使得粒子和反粒子遵循著相同的物理規(guī)律。

而在1964年，科學家們在含有奇異夸克的介子衰變中，發(fā)現(xiàn)了另一個更加“奇異”更加難以讓人接受的事實：電荷－宇稱聯(lián)合的對稱性似乎也不守恒。在電中性K 介子的衰變中，詹姆斯·克羅寧(Jim Cronin)和瓦爾·菲奇(Val Fitch)發(fā)現(xiàn)，本應衰變成三個π介子的長壽命K 介子，卻有一些衰變成了兩個π介子。這種衰變模式是電荷－宇稱對稱性的守恒所不允許的?？肆_寧和菲奇的研究結(jié)果再一次給理論界帶來了巨大的沖擊，也為他們帶來了1980年的諾貝爾物理學獎。

為了解釋電荷－宇稱對稱性的破缺，1973 年，在意大利物理學家尼古拉·卡比博(Nicola Cabibbo)的研究的基礎(chǔ)上，日本科學家小林誠和益川敏英建立了卡比博－小林－益川矩陣(CKM)，給出了電荷－宇稱對稱性的破缺存在的必要條件，并在當時只發(fā)現(xiàn)了三個夸克的情況下預言了六個夸克的存在。之后，底夸克與頂夸克分別于1977 年和1995年在美國費米實驗室的粒子加速器中被發(fā)現(xiàn)。至此，夸克的六種“味道”全部在實驗中發(fā)現(xiàn)，夸克模型被完整呈現(xiàn)和證實?？淇四Ｐ鸵渤蔀榱藰藴誓Ｐ偷幕?。

4.希格斯機制：基本粒子質(zhì)量的起源

對稱性在物理學中有至關(guān)重要的地位，它的存在很大程度上決定了相互作用的形式。電弱相互作用統(tǒng)一理論的內(nèi)在對稱性要求傳遞粒子之間相互作用力的傳播子不具有質(zhì)量。電磁相互作用力的傳播子——光子滿足這一要求，但弱相互作用力的傳播子——W±和Z0玻色子都具有較重的質(zhì)量，這破壞了電弱相互作用的對稱性，也導致了理論計算困難。實驗上核力傳播距離有限的事實又表明，這些傳播子確實是有質(zhì)量的。許多年來，這種矛盾一直困惑著粒子物理學界。直到1964年，有三篇文章分別提出了電弱對稱性自發(fā)破缺機制，即“希格斯機制”⑤⑥⑦，參見圖2。1964 年8 月，弗朗索瓦·恩格勒和羅伯特·布繞特(Robert Brout)首先發(fā)表了一篇關(guān)于這種機制的文章；緊接著，彼得·希格斯在10月份；杰拉德·古拉尼(Gerald Guralnik)、卡爾·哈庚(Carl Hagen)和湯姆·基博爾(Tom Kibble)在11 月份也分別獨立發(fā)表了類似的機制，因此，這種機制也最早被人稱作“布繞特－恩格勒－希格斯－古拉尼－哈庚－基博爾機制(BEHGHK)”。然而由于歷史上的機緣巧合，希格斯成為了這些天才大腦中最幸運的人，如今這種機制常被稱作希格斯機制。

圖2 描述對稱性自發(fā)破缺的概念圖

在希格斯機制中，通過電弱對稱性自發(fā)破缺后產(chǎn)生的Nambu-Goldstone 玻色子，讓原本只有兩個橫向極化自由度的無質(zhì)量W 和Z 玻色子獲得了額外的縱向自由度，從而使得W 和Z 玻色子獲得質(zhì)量。其他基本粒子通過與希格斯場的相互作用獲得質(zhì)量，而希格斯場的激發(fā)態(tài)對應的就是希格斯玻色子。

希格斯機制解決了質(zhì)量起源問題，但同時也帶來了新的問題，那就是，有希格斯場的存在，那就應該有希格斯粒子的存在。關(guān)于希格斯粒子，歷史上還曾有過另一個精彩的描述。在1993年，為弄清在歐洲核子研究中心大家都在盡力尋找的希格斯粒子到底是什么東西，英國的科學大臣威廉·瓦德格雷夫(William Waldegrave)曾發(fā)起過一項挑戰(zhàn)，就是給他講清楚希格斯機制是怎么回事，而獎品是一瓶上好的香檳。瓦德格雷夫本人并沒有粒子物理學基礎(chǔ)，高深的公式他并不懂，因此，想要贏得挑戰(zhàn)就必須要講好一個形象的故事。最終，倫敦大學學院的粒子物理學家大衛(wèi)·米勒(David J Miller)想出來一個描述并最終贏得了這瓶香檳。米勒描述了這樣一種情況：假如在一個雞尾酒會上，大家都在自由地交談。此時的所有人就是分布在空間的希格斯場。這時一個無名小輩走入了酒會，那么沒有人會注意得到他，他可以自由地在酒會上穿梭，并且可以隨意地改變行動方向。這時，這位無名小輩在酒會上的運動就像是一個無質(zhì)量的粒子。但是假如此時一位名人(比如愛因斯坦)走入了房間，那么酒會上的人就會迅速地注意到這位名人，并圍上來。這時的愛因斯坦就只能緩慢地移動，并且難以改變方向。這時這位名人的運動狀態(tài)，就像一個有質(zhì)量的粒子，參見圖3。

圖3 利用卡通場景描述粒子如何獲得質(zhì)量

但是，假如這時候沒有人進入房間，只是門口有個人悄悄地講了一個傳聞，聽到這個傳聞的人都會非常主動地把這個傳聞講給屋里其他的人聽，這時屋里就會聚集起一小團聽傳聞的人群。當一個人講完這條傳聞之后，聽到傳聞的人總有一個會把這條傳聞繼續(xù)傳播下去。這樣，雖然每個人聽完傳聞之后就回到了自由交談的狀態(tài)，但是這條傳聞會隨著一小團變動的人群繼續(xù)移動下去。就像是聚集的人群能給愛因斯坦賦予質(zhì)量一樣，這小團聚集的人群也給自身賦予了質(zhì)量。這時，這小團聚集的人群就是一個希格斯粒子，參見圖4。

圖4 利用卡通場景描述希格斯粒子

希格斯粒子像是一把鑰匙，可以將楊－米爾斯方程中被盒子緊鎖著的質(zhì)量釋放出來。希格斯粒子和希格斯機制，如同楊－米爾斯方程，以及夸克模型一樣，成為了粒子物理標準模型的第三塊基石。

在標準模型三大基石集齊之后，謝爾頓·格拉肖、阿卜杜勒·薩拉姆(Abdus Salam)、以及史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)等人在統(tǒng)一電磁力和弱核力的嘗試中，逐漸地將這三大基石融合，繪出了粒子物理標準模型的基本藍圖⑧⑨。

5.高能對撞機：粒子物理研究的利器

標準模型成為了能夠描述基本微觀粒子以及他們之間電磁力、強核力、弱核力這些相互作用的基本假設(shè)。然而，不管理論有多美，一個未經(jīng)完整證實的標準模型依然只是一個空中樓閣。只有被實驗驗證過的理論才是真理。此時，標準模型的藍圖雖然在手，要想按圖索驥，證明它，粒子物理學家們還需要工具。工欲善其事，必先利其器。想要尋找這些粒子，粒子物理學家最趁手的工具就是高能對撞機。

對撞機是一類研究粒子物理學的科學家們使用的科研儀器，是可以將人類認知深入到小于原子尺度的微觀世界的超級顯微鏡。對撞機會將電子、質(zhì)子、或者重離子等微觀粒子進行加速，使他們以接近光速的速度在管道內(nèi)運行，隨后兩束粒子在探測器內(nèi)以極高的能量進行聚焦和對撞。相向而來的兩個粒子在對撞的瞬間經(jīng)歷了極其復雜的物理過程，產(chǎn)生大量的攜帶了高能量的新粒子。隨后這些新粒子會向四周的空間噴射，并被圍繞在對撞點的探測器所接收到。物理學家則可以通過研究被探測器探測到的對撞產(chǎn)物，來反推分析出對撞時的物理過程。由于粒子物理學所研究的對象如此之小，所需要的能量如此之高，科學家們只能通過建造大型的加速儀器來獲得研究所需的高能量。

在二十世紀的六七十年代，科學家們在法國、美國、蘇聯(lián)、德國等國家的一些實力雄厚的大學或研究所先后建造了十幾個對撞機。這些對撞機大小相差巨大，從周長幾米到周長兩千米，分別覆蓋了許多不同的能量區(qū)間，可以分別研究不同的特定課題。在那個年代，由于科學家們開始掌握了對撞機這一研究利器，粒子物理學呈現(xiàn)出了一輪爆發(fā)式的發(fā)展。前文提到的粲夸克，以及底夸克和頂夸克，W±和Z0玻色子等都是通過對撞機實驗發(fā)現(xiàn)的。隨著研究的深入和進展，能量較低的區(qū)間的課題已不能滿足理論發(fā)展的需求，科學家們開始需要越來越高能量的對撞機來開展科學研究。中型和小型的對撞機逐漸離開科學家們關(guān)心的焦點，只有個別在特定能量區(qū)間上運行的對撞機因一些特殊需求被保留至今。而建造越大的對撞機自然花費通常會越高，大型對撞機的建設(shè)再也不是一所實力雄厚的大學或研究所就能夠獨立完成的了。在這種不斷發(fā)展的過程中，在不同機構(gòu)工作的粒子物理學家們逐漸開始聯(lián)合，展開了全球范圍內(nèi)的合作。

在20 世紀70 年代末，歐洲核子研究中心的物理學家們就開始考慮長期的物理學發(fā)展的戰(zhàn)略了。建造一個周長27 千米的“大型電子對撞機”(LEP)的計劃開始浮出了水面。經(jīng)過幾年的設(shè)計和論證，在1981 年的5 月22 日，歐洲核子研究中心最終批準了這個宏大項目。經(jīng)過從1983年到1988年的施工與安裝，大型正負電子對撞機LEP 終于在1989年正式啟動，27千米的周長也讓它成為了迄今為止人類歷史上最大的科學研究儀器。

然而，1989 年在歐洲啟動的LEP，并不是當年能量最高的對撞機，因為在1986 年起，對撞機能量最高的桂冠一直都高掛在美國的一臺對撞機頭上。1986 年底，在美國費米國家實驗室，一個周長6.3千米的正反質(zhì)子對撞機“萬億電子伏特加速器”(Tevatron)正式開始以史無前例的對撞能量運行了起來，Tevatron 所創(chuàng)造的1.96 TeV 能量記錄維持了二十多年，一直到2010年后才被歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(LHC)打破。

為什么當時更大、更新的對撞機LEP會能量低于Tevatron呢？這是因為，雖然同樣被叫做對撞機，LEP 和Tevatron 卻分屬于兩類不同的科學研究儀器，他們分別是正負電子對撞機和強子對撞機。正如他們的名字所描述的那樣，正負電子對撞機中進行對撞的粒子是正負電子，而強子對撞機中進行對撞的粒子可以是質(zhì)子，也可以是重離子。電子是一種不可再分的基本粒子。這種粒子帶有電荷，而體積則被認為是趨近于零。電子在對撞中能夠參與的物理過程非常的簡單，對撞產(chǎn)物非常干凈，非常適合用它進行精確測量的實驗，因而電子對撞機通常也被稱作為“粒子工廠”，因為它能夠像工廠一樣穩(wěn)定的生產(chǎn)產(chǎn)品。然而電子有一個令實驗物理學家非常無奈的特性，就是電子在轉(zhuǎn)彎的時候會輻射出大量的能量，從而使得電子本身自帶的能量降低。并且，電子轉(zhuǎn)彎越劇烈，輻射出的能量就會越大。所以，電子對撞機通常會做成大半徑的環(huán)，或者直接只在一段直線內(nèi)加速電子。位于美國的“斯坦福直線加速器對撞機”(SLAC)就是一個將電子在直線內(nèi)加速然后完成對撞的實驗儀器。直線加速器的缺點是，電子束不能被重復利用，對撞一次后就會浪費掉所有的被加速的電子，而環(huán)型對撞機可以使得被加速的粒子一次又一次地重復被利用，從而節(jié)約粒子和能量。正負電子對撞機因其半徑大、能量較低，并不需要強磁場將粒子束縛，所以制造工藝相對簡單。

強子對撞機中進行對撞的粒子最通常的是質(zhì)子，也就是氫的原子核。質(zhì)子在粒子物理學中不是基本粒子。質(zhì)子中包含三個夸克和一些將夸克連接起來的膠子?？淇撕湍z子在對撞中會參與復雜物理過程，對撞產(chǎn)物也會非常復雜和多樣，無法像正負電子對撞機粒子工廠那樣有穩(wěn)定的產(chǎn)出。但是，由于質(zhì)子的質(zhì)量遠大于電子，在轉(zhuǎn)彎時只會輻射出較少的能量，所以質(zhì)子能夠在加速器中獲得比電子高得多的能量。強子對撞機適合“開疆拓土”，用極高的能量去探索能量前沿的問題。利用強子對撞機研究物理問題，就是一個“大力出奇跡”的過程。而極高的能量則意味著強子對撞機必須使用高強度的磁場，因而需要大量超導材料，制作工藝遠比正負電子對撞機復雜。強子對撞機不擅長做非常精確的測量，但是適合用來探索新的物理現(xiàn)象。

前文中的LEP 和Tevatron 都在標準模型的驗證過程中發(fā)揮了巨大的作用，它們的物理目標之一都包含了對希格斯粒子的尋找。特別是在進入新世紀前后，標準模型中的基本粒子包括夸克，輕子和傳播子全部已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，就只剩下希格斯粒子還未曾被發(fā)現(xiàn)。然而，在分別經(jīng)過了多年的運行之后，雖然LEP 和Tevatron 在別的領(lǐng)域都取得了令人矚目成果，他們卻分別都在希格斯粒子的尋找道路上折戟沉沙。盡管已有越來越多的人相信了標準模型，但是希格斯粒子的缺席使得標準模型仍然還是空中樓閣。

20 世紀80 年代，與LHC 幾乎同時開始預研的美國超導超級對撞機(SSC)其實比LHC 大得多。1982 年，美國科學家提出了建造SSC 的設(shè)想，其環(huán)形隧道長87 千米，質(zhì)子碰撞的能量為40 TeV，是LHC設(shè)計能量的3倍。1983年，美國能源部批準了SSC 的預研，1987 年1 月SSC 工程正式啟動。1988年11 月確定選址德克薩斯州，1991 年開始施工建造，此時經(jīng)歷了一番重新設(shè)計的SSC工程估價從44億升至82.5億美元，預計1999年投入運行。但僅在兩年后，美國國家審計總署審計后認為SSC項目費用超支、進展滯后。于是，命途多舛的SSC 在開工建設(shè)之前經(jīng)歷了臨陣換帥后推倒原設(shè)計方案、新方案大幅增加預算、學界的不同意見、政黨輪換中支持對撞機的共和黨總統(tǒng)下臺、冷戰(zhàn)和美蘇爭霸結(jié)束等多種內(nèi)部外部壓力的聯(lián)合作用下，終于在1993年的10月21日被美國國會正式宣告終止建設(shè)。

按照SSC 的設(shè)計，它的能力應該如此之強大，以至于在三十多年以后的今天，世界上仍然沒有可以與之匹敵的對撞機。假如它沒有經(jīng)歷那些波折，幾乎必然是希格斯粒子的最佳獵手。然而，歷史容不得假設(shè)。正因為SSC的停建，使得美國失去了長期以來在高能物理領(lǐng)域的霸主地位。

6.大型強子對撞機：希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)

在20世紀80年代，誰能想到，在對待科學的態(tài)度上，四分五裂的歐洲竟然比統(tǒng)一的美國更加團結(jié)。早在1984年，也就是歐洲核子中心的LEP正式開始運行的五年之前，在LEP 尚在建設(shè)中的時候，歐洲的科學家們就在考慮LEP 退役之后未來的事情了。在1984年的一次討論會上，科學家提出了第一個利用LEP退役后的隧道內(nèi)建造新的“大型強子對撞機”LHC的提議。然而這個提議在很長的一段時間內(nèi)都沒有形成完整的提案并得到批準，原因一是此時LEP 還在建設(shè)階段，距離它退役還為時尚早；二是在1987 年，SSC 獲得了美國國會的批準。SSC的存在使得歐洲的計劃失去了競爭優(yōu)勢，也讓LHC 是否有必要再被建造畫上了一個問號。然而在1993年SSC被宣告中止之后，失去了美國SSC的競爭，歐洲的LHC成為當年世界上唯一一個能夠有望解決包括尋找希格斯粒子等重大粒子物理學問題的對撞機方案。于是，在1994年，LHC的建設(shè)計劃正式被歐洲核子研究中心批準。2000年，LEP正式結(jié)束了它十多年的數(shù)據(jù)獲取運行過程，并于2001年開始被完全拆除。而LEP 所留下的長達27 千米隧道則被重新利用，用于安置LHC。

LHC 除了本身占據(jù)的一條27 千米長的隧道，還有幾個逐級加速的加速器環(huán)，復雜龐大的結(jié)構(gòu)使得它刷新了人類歷史上所建造的最大規(guī)模的科學研究儀器的記錄，成為了一個極具科幻色彩的龐然巨物，其加速器環(huán)占據(jù)的空間的地表范圍參見圖5。LHC不但大，而且設(shè)計對撞能量也達到了驚人的14萬億電子伏特，相當于每一個質(zhì)子都在七萬億伏的電壓下被加速，遠超了它的前輩LEP和美國的競爭者Tevatron。質(zhì)子在加速器內(nèi)獲得的能量能達到自身質(zhì)量的近萬倍，在27 千米加速器環(huán)內(nèi)以每秒1.1萬次的頻率飛行，速度達到光速的99.99%，每秒鐘能發(fā)生高達10 億次的撞擊事例。質(zhì)子－質(zhì)子劇烈的碰撞可以模擬宇宙大爆炸的高溫高能狀態(tài)，碰撞產(chǎn)生的瞬時溫度可與宇宙大爆炸后不久(約10～12s)的狀態(tài)相比。粒子物理學家利用質(zhì)子碰撞后的產(chǎn)物可以探測新粒子和新物理現(xiàn)象，例如，尋找標準模型預言的希格斯粒子，探索超對稱、額外維、暗物質(zhì)等超出標準模型的新物理。

圖5 歐洲核子研究中心大型強子對撞機俯瞰圖

LHC 主要進行四項大型實驗，包括ATLAS(超環(huán)面儀器實驗)、CMS(緊湊繆子線圈實驗)、ALICE(大型離子對撞實驗)和LHCb(底夸克實驗)，這是人類科學與工程領(lǐng)域集大成者，當之無愧的典范。其中ATLAS 和CMS 是兩臺多用途的大型探測器，用于分析在加速器中質(zhì)子－質(zhì)子碰撞時產(chǎn)生的數(shù)量龐大的粒子。兩項實驗的研究規(guī)模均達到前所未有的程度，其建設(shè)過程中的狀態(tài)參見圖6。ATLAS探測器長46米，寬25米，高25米，總重量約為7000噸，有近1億路電子學讀出通道，是迄今為止世界上規(guī)模最大的粒子探測器。CMS 探測器長21 米，寬15米，高15米，重量約12500噸。ATLAS和CMS探測器相當于一個巨型的數(shù)碼照相機和顯微鏡，每秒中能拍攝4 千萬次，把質(zhì)子間數(shù)億個碰撞事例產(chǎn)生的粒子信息記錄下來進行分析。ATLAS和CMS兩個大型國際合作實驗組各自擁有約5000 位研究人員和工程技術(shù)人員，來自60多個國家和地區(qū)的300多個研究機構(gòu)。

圖6 安裝中的ATLAS(上圖)和CMS(下圖)探測器

然而LHC卻是一臺難以被馴服的機器，它的啟動階段充滿了波折。2008年，LHC在啟動試運行階段，超導高電流通過一段焊接不良的連接線時產(chǎn)生的電弧打穿了冷卻設(shè)備的液態(tài)氦儲存槽，冷卻超導磁鐵用的液態(tài)氦發(fā)生了嚴重的泄漏，高達6 噸液態(tài)氦泄漏到隧道中，泄漏量達到液氦總量的約1/3。這使得LHC 不得不花一年時間進行維修和復查。然而不論外界對LHC的預期或喜或悲，在經(jīng)歷了一段艱難的啟動階段之后，LHC 還是于2010 年正式開始運行和獲取對撞物理數(shù)據(jù)，而它也輕易地摘得了人類在地球上創(chuàng)造的最高能量的記錄。并且在兩年之后的2012年，它成功發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。

2012年7月4日，注定是個不平常的日子，歐洲核子研究中心CERN舉行了全球新聞發(fā)布會，宣布LHC的ATLAS和CMS兩個大型實驗組同時發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量約為125 GeV的新粒子①②，信號強度達到并超過粒子物理學家判定新發(fā)現(xiàn)的置信度5 個標準偏差，即發(fā)生錯誤判斷的可能性小于300萬分之一。新粒子的特性類似于粒子物理學界一直努力尋找的，被稱為“上帝粒子”的“希格斯玻色子”，參見圖7。這正是半個世紀以來，全球成千上萬科學家共同艱辛努力的結(jié)果。世界上千家媒體和電臺都報道了這項劃時代的偉大發(fā)現(xiàn)，譬如：紐約時報報道“科學家發(fā)現(xiàn)了對宇宙至關(guān)重要的神秘粒子”；BBC 新聞報道了“大型強子對撞機上發(fā)現(xiàn)疑似希格斯粒子”；英國衛(wèi)報標題為“希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)是人類的又一次巨大飛躍，這項偉大成就堪比人類登月，是值得所有人自豪的”。CERN 的總所長羅夫·赫爾(Rolf Heuer)聲稱：“人類在理解自然世界上跨越到了一個嶄新階段?！?/p>

圖7 大型強子對撞機實驗上發(fā)現(xiàn)希格斯粒子

此時，標準模型大廈終于不再是空中樓閣，它所預測的所有基本粒子都已發(fā)現(xiàn)。此刻距希格斯機制的提出，已經(jīng)過了48年。希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)填補了標準模型最后也是最重要的基石，從某種意義上完備了標準模型，成為粒子物理研究的一個重大里程碑。

7.未來的道路：希格斯工廠

2012 年希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)被視為自原子結(jié)構(gòu)揭示以來人類對宇宙認識的重大突破，這一突破開啟了粒子物理的新時代。一方面，標準模型的框架雖已建成，但細節(jié)仍是不清晰的，還有大量的不確定的條件，所以一切基于希格斯機制與標準模型的理論都可以大膽的前進一步、提出更精細的實驗要求了。另一方面，物理學家也十分清楚目前的標準模型是不完善的，已有很多實驗觀測結(jié)果與標準模型的預測相沖突，比如在標準模型框架里中微子是沒有質(zhì)量的，但是諸多中微子振蕩的實驗結(jié)果表明，中微子是有質(zhì)量的。標準模型也無法描述暗物質(zhì)等，所以，超出標準模型的新物理的理論仍然有大量的可能性。而希格斯粒子不僅僅和基本粒子質(zhì)量的起源有關(guān)系，其他的重大前沿科學問題比如早期宇宙演化的過程、暗物質(zhì)與暗能量等也與希格斯粒子息息相關(guān)，參見圖8。因此，對希格斯粒子的精確研究是粒子物理學界一個非常明確的未來需要完成的重要物理目標。

圖8 希格斯物理與其他科學問題的關(guān)聯(lián)

國際高能物理學界經(jīng)過多年的深入研討，逐漸形成共識，即希望采用正負電子對撞機來產(chǎn)生大量希格斯粒子(即“希格斯工廠”)。主要因為在大型強子對撞機LHC實驗中，質(zhì)子對撞過程中產(chǎn)生非常多的強子本底，希格斯粒子的產(chǎn)生伴隨著大量無用的本底，所獲得的信號有非常大的噪音，難以精確測量希格斯粒子的特性。如果采用正負電子對撞，產(chǎn)生的本底非常低，有利于在“干凈”的對撞環(huán)境下對希格斯粒子的性質(zhì)進行更精確的測量。此外，正負電子對撞有固定的質(zhì)心系能量，可以通過ZH 產(chǎn)生過程中Z 玻色子的反沖獨立精確測量希格斯的產(chǎn)生截面和衰變分支比，這是LHC強子對撞實驗無法做到的優(yōu)勢。目前國際上有三個基于正負電子對撞的“希格斯工廠”方案，日本的國際直線對撞機(ILC)，中國的高能環(huán)形正負電子對撞機(CEPC)，以及歐洲的未來環(huán)形對撞機(FCC)。

7.1 日本的ILC

ILC是個長達30千米的直線加速器，它進行正負電子對撞，質(zhì)心系能量可達500 GeV 或更高，既可以作為“希格斯工廠”，也可以運行在更高的能量研究希格斯自耦合等。ILC的建造涉及大量先進的加速器技術(shù)、探測器技術(shù)等。盡管ILC造價昂貴且建設(shè)過程存在風險，但考慮到ILC極為重大的科學意義，承建國很有希望因此而成為粒子物理領(lǐng)域新的霸主。歐洲CERN，美國費米實驗室Fermilab 和日本高能加速器研究機構(gòu)KEK 均對建造ILC 表現(xiàn)出極大興趣。經(jīng)過多年的預研和競爭，國際高能物理學界最終形成共識，支持日本承建ILC 項目。2020 年成立了國際準備小組(IDT)，而且在美國強烈要求下將中國排除在外。2021 年日本成立了ILC項目開發(fā)中心，各項工作正在穩(wěn)步推進，預計未來3～4年成立預實驗室(Pre-Lab)，參見圖9。

圖9 國際直線對撞機ILC示意圖

7.2 中國的CEPC

希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)也極大振奮了中國高能物理學界。仔細分析國際上高能量粒子物理領(lǐng)域的發(fā)展形勢，美國因政府削減經(jīng)費失去高能物理領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，歐洲借此機會一舉超越美國成為新的引領(lǐng)者，但2030 年之前歐洲主要精力仍在LHC 的運行及其升級，日本則忙于ILC項目的承建。中國有了一個難逢的機遇，可以充分利用中國的優(yōu)勢，利用成熟的環(huán)形加速器技術(shù)，在中國本土建設(shè)下一代基于環(huán)形正負電子對撞機的希格斯工廠，從而使中國的高能加速器和粒子探測器技術(shù)實現(xiàn)大幅度的跨越發(fā)展，引領(lǐng)國際高能物理實驗研究的最前沿。

2012 年9 月13～14 日，僅僅在希格斯粒子發(fā)現(xiàn)后的兩個月，中國高能物理學會在北京召開了“第二屆中國高能加速器物理戰(zhàn)略發(fā)展研討會”，來自全國各地的40多位專家學者參與了研討，并在研討會上首次提出了在中國建造下一代環(huán)形正負電子對撞機CEPC 的宏偉設(shè)想，即先建造一個周長約50～100千米、能量為240 GeV的環(huán)形正負電子對撞機作為希格斯工廠；未來條件成熟后可在同一隧道內(nèi)將其改造為能量50～100 TeV的超級質(zhì)子對撞機，能量將比正在運行的LHC高約6倍，以實現(xiàn)未來加速器的終極目標。CEPC瞄準的是希格斯粒子發(fā)現(xiàn)后對撞機實驗的核心前沿物理問題，其科學目標是精確測量希格斯粒子的性質(zhì)以及探索標準模型背后更基礎(chǔ)的物理規(guī)律。隨后，國內(nèi)高能物理學界組織了研究團隊進行CEPC前期的預研究。

2014年2月，“希格斯粒子發(fā)現(xiàn)之后，基礎(chǔ)物理學向何處發(fā)展”論壇在北京舉行，論壇嘉賓包括兩位諾貝爾物理學獎得主，兩位菲爾茨獎得主，四位基礎(chǔ)物理學獎得主等國際著名物理學家。嘉賓們堅信下一代粒子加速器將會為人類認識世界帶來重要的突破，并認為CEPC 將為中國開啟成為粒子與加速器物理領(lǐng)域世界領(lǐng)導者的機遇。諾貝爾物理學獎得主David Gross認為，中國提出建設(shè)的下一代加速器CEPC，將使中國在基礎(chǔ)科學領(lǐng)域處于中心位置。他說：“我把這個夢想叫做中國大加速器(The Great Accelerator)，這會和萬里長城(The Great Wall)一樣令人矚目。它會比萬里長城的作用更大，會在科學技術(shù)各領(lǐng)域有突破和發(fā)現(xiàn)?！?/p>

經(jīng)過6年的努力，2018年11月，CEPC研究團隊正式發(fā)布了加速器、物理和探測器兩卷概念設(shè)計報告⑩?，由來自24 個國家，222 個研究機構(gòu)的1143 位研究人員共同簽署發(fā)表長達930 多頁的設(shè)計報告。CEPC概念設(shè)計圖參見圖10。粒子物理學的前途是很明確的，未來幾十年細致研究希格斯粒子的性質(zhì)已是世界高能物理學界的共識，而中國設(shè)計的對撞機幾乎已是成本與效率的最優(yōu)選擇。

圖10 高能環(huán)形正負電子對撞機CEPC示意圖

7.3 歐洲的FCC

在中國發(fā)布自己的希格斯粒子工廠對撞機之后，歐洲核子研究中心在2019年也發(fā)布了他們設(shè)計的希格斯粒子工廠“未來環(huán)形對撞機”(FCC)，其預期建設(shè)選址參見圖11。然而，不出科學家的意料，歐洲的FCC 設(shè)計在正負電子對撞機階段的一些關(guān)鍵指標上與中國的CEPC 設(shè)計“幾乎一模一樣”，因為這就是研究希格斯物理的最優(yōu)解。

圖11 未來環(huán)形對撞機FCC示意圖

2020年6月，歐洲粒子物理戰(zhàn)略規(guī)劃明確將正負電子對撞機希格斯工廠列為優(yōu)先級最高的下一代高能物理加速器設(shè)施并且布局、投資了大規(guī)模的技術(shù)研發(fā)?？梢姡虻牧Ｗ游锢韺W家目前努力的方向是一致的。然而，歐洲核子研究中心CERN仍然在運行著大型強子對撞機LHC，并且在未來15～20年左右，歐洲還計劃對LHC進行多次升級改造，這些計劃會制約FCC的建設(shè)計劃，而中國則有望比歐洲早十年建成希格斯粒子工廠，從而在激烈的國際競爭中贏得先機。

8.結(jié)語

二十一世紀的中國正在為實現(xiàn)“兩個一百年”奮斗目標、實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢而奮斗。中國科學家必須要為實現(xiàn)中國夢提供強有力的科技支撐，使中國成為科技創(chuàng)新大國，為提高社會生產(chǎn)力和綜合國力提供的戰(zhàn)略支撐。中國科技的發(fā)展將面向世界科技前沿和國家戰(zhàn)略需求，找準科技突破的新方向，做出基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和原創(chuàng)性的重大貢獻。

希格斯粒子發(fā)現(xiàn)后，建造CEPC 希格斯工廠承載了中國高能物理學家的期盼和夢想，這也是實現(xiàn)中華民族偉大復興“中國夢”的重要組成部分。建設(shè)一個以CEPC 為核心的國際科學城，使得中國在基礎(chǔ)物理研究、加速器和探測器等關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)跨越式發(fā)展，從跟跑者向并跑者轉(zhuǎn)變，乃至最終成為世界的引領(lǐng)者。這是國家發(fā)展的一個難得的歷史機遇，其重要的科學意義、在國際上將產(chǎn)生的重大影響，以及對中國未來發(fā)展的推動作用是其他大型科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目不可替代的。由于激烈的國際競爭，這個歷史機遇的時間窗口不到十年。這是歷史賦予這一代人的重任。衷心期待這個夢想能夠成為現(xiàn)實，讓“中國的大加速器”和萬里長城一樣引人矚目，在新中國建國100 周年之際真正起到引領(lǐng)未來的作用。