? 大对撞之12:中科院学者回应斯坦福学者-深度-知识分子 "

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                大对撞之12:中科院学者回应斯坦福学者

                2019/12/20
                导读
                “我们的回答不是标准答案,欢迎其它专家继续讨论?!?
                2012年,LHC的紧凑渺子线圈(CMS)实验捕获到希格斯粒子。McCauley, Thomas; Taylor, Lucas; for the CMS Collaboration,CC BY-SA 3.0



                - 编者按 -


                对于中国是否应该建造大对撞机的辩论,已经成为“大对撞”,有物理学家之间的激烈辩论,也有科学界其他人、关心中国发展的其他人的碰撞,虽然程度不同。

                12月18日,斯坦福大学教授赵午通过《知识分子》谈了他对中国是否应建超级对撞机的几点意见。

                12月19日,中国科学院高能物理研究所的两位研究员阮曼奇和徐庆金寄信《知识分子》,就赵午提出的几个问题进行了回应。

                关于这一议题,《知识分子》秉承公平、理性原则继续为多方提供讨论平台?;队男舉ditor@zhishifenzi.com,发表您的看法。


                撰文 | 阮曼奇  徐庆金(中国科学院高能物理研究所)


                ●      



                答“是否建造大型对撞机的XYZ问题

                日,美国斯坦福直线加速器实验室的赵午先生在他的《是否建造大型对撞机的XYZ问题》一文中,提出了如下问题:

                “第一,我们先要自问,为了SPPC(超级质子对撞机),我们真的有决心有毅力,投入Z的经费,三十年全力以赴去做它的预研吗?”


                “第二,我们真的为了那个隧道投入X元建造 CEPC(环形正负电子对撞机)吗?”


                “第三,我们真的愿意投入X+ Y+ Z去送几位西方人去斯德哥尔摩吗?”


                其中,X指CEPC的造价;Y指SPPC的造价;而Z指SPPC技术的预研。


                作为从事CEPC和SPPC研究的一线科研人员,我们将就上述问题给出回应。我们的回答不是标准答案,欢迎其它专家继续讨论。



                1

                CEPC具有明确的科学目标和重大的科学意义


                赵先生在文章中暗示:CEPC的建设只是为SPPC提供一个隧道。这种说法没有依据。


                目前粒子物理标准模型远不是一个终极理论,它存在大量未解之谜:它无法解释引力、暴胀、暗物质、暗能量等基础现象,也无法完全解释粒子之间存在的巨大的质量差异、物质-反物质的不对称性,等等。这些问题使得人们普遍相信标准模型背后存在更为基础的物理原理(新物理)。希格斯玻色子是标准模型的基石,和上述未解之谜存在千丝万缕的联系;而其性质的精确测量是探索新物理的最好探针之一:测量精度越高,能探索的新物理的能标越高。如CEPC概念设计报告指出的,如果我们将希格斯玻色子的性质测量到1%的相对精度,就可以对10TeV能标下的新物理进行扫描;这一精度和可探索的能标超过目前LHC(大型强子对撞机)一个数量级。CEPC将为标准模型未解之谜的探索提供关键线索,有可能直接发现新物理原理。


                退一步说,即使CEPC没有发现与标准模型的偏离,这表明我们目前对自然性原理(即新物理能标相对于电弱能标的差距;这一差距越大,说明理论越不自然)的认识出现了重大偏差,意味着我们对标准模型的认识、甚至对时空的认识存在巨大问题,需要作出深刻的根本性的改变,这也是具有重大意义的成果。


                正因如此,国际高能物理学界普遍认为高精度的正负电子希格斯工厂是未来粒子物理实验的首选。除CEPC外,这些希格斯工厂还包括欧洲的 FCC(未来环形对撞机)、CLIC(紧致对撞机、可能被建设于日本的 ILC(国际直线对撞机),科学家对这些项目进行了大量科学研究和技术研发,也反映了对CEPC科学意义的高度共识。


                CEPC造价约为360亿人民币,到底值不值?某种程度上说,粒子物理是现代物理学的近半壁江山。CEPC一旦建成,将成为全球粒子物理实验的旗舰,使我国在该领域问鼎世界领先的地位。CEPC对我国的基础科学水平有巨大的促进;其建设是一个历史性的机遇。


                从经费上看,中国年均经费超过20亿的二级学科有很多。高能物理学界把资源集中起来,投入一个科学寿命长达几十年的、最先进的项目,人年均经费并没有比其它领域多,不会挤占其他学科的资源。


                2

                SPPC关键技术预研正在进行,有望带动超导产业变革性发展


                赵先生问 “为了SPPC,我们真的有决心有毅力,投入Z的经费,三十年全力以赴去做它的预研吗?” 事实是:SPPC关键技术预研已经于数年前展开,且已经取得重要进展。同时,这些技术具有巨大的应用价值,我们在以后的数十年将全力以赴进行研发。


                SPPC采用全环超导方案。高场超导磁体是SPPC建设的最大挑战之一,也在很大程度上决定了SPPC的造价。为大幅降低造价、实现大规模工业利用,结合我国在铁基超导上国际领先的研究基础,我们首次提出基于铁基超导的高场磁体技术路线。目标是在十年的时间内,将高温超导材料的载流能力提升10倍(在24T强场下达到1000A/mm2水平)、价格压低10倍(20元/kAm),达到大规模应用水平。该目标不仅可满足SPPC的需求,也将对电力运输、储能、磁悬浮交通、高精度核磁谱仪(成像精度与磁场强度的平方成正比)、可控核聚变(能量密度与磁场强度的四次方成正比)等应用领域产生深远影响。性价比提高100倍的下一代先进超导技术,有望带动一个产值至少数千亿的新型高科技产业。为此,国内多个顶级科研机构和企业联合成立了 “实用化高温超导材料产学研合作组” [1-2],共同推进这一关键技术的发展。


                目前,在中科院先导专项、国家重点研发计划以及自然科学基金等项目的大力支持下,合作组经过三年的努力,已取得重要进展:百米级铁基超导长线材载流性能已经提高近四倍(相比于2016年水平),引领国际最高记录;国际上首次完成铁基超导线圈24T背景磁场下应用的实验验证,证明了铁基高场超导磁体路线的可行性 [3],同时铁基超导线材的预期造价有望比铌三锡超导线材低4~5倍 [4],与目前成本最低廉的铌钛超导线材相当。

                  

                左-螺线管及跑道型铁基超导实验线圈;中-铁基超导螺线管线圈24T下载流性能测试[3];右-美国强场实验室针对该工作的评论文章,赞同铁基超导线材高场下优异的载流性能,及极低的预期造价[4]


                3
                SPPC的建设将加速下一代先进超导技术的产业化进程


                按铁基超导方案及高温超导合作组十年目标参数计算,SPPC总计需要约3000吨超导材料,价格约为100亿人民币。以此初步估计SPPC的造价,应该在500亿人民币左右。这个投入值不值?


                在科学上,如果CEPC及其他物理实验告诉我们SPPC能直接探测到新物理原理,SPPC的建设无疑是值的。


                在技术上,SPPC为下一代先进超导技术提供了明确的应用目标、技术指标和市场需求,将大大加速该技术从实验室到产业的转化进程。当年美国费米实验室的Tevatron 超导加速器,推动基于铌钛技术的超导磁体实现了产业化,才有了今天超导核磁共振谱仪(MRI)的普及,全球民众才享受到这种高科技产品的福利。事实上过去四十余年,正是由于以粒子加速器为首的大科学工程项目的全力推动,才有了今天为数不多但事关民众健康及国家安全的超导及低温产业。


                为了最大化CEPC、SPPC对技术的促进作用,同时控制项目的造价,项目将追求90%以上的国产率。这将有效带动先进超导等一系列高技术产业的发展,影响巨大而深远。


                4

                大型粒子对撞机研究目标与诺奖无关


                赵先生问 “我们真的愿意投入X+ Y+ Z去送几位西方人去斯德哥尔摩吗?” 针对此问题,我们想说明以下几点:


                • CEPC的研究从来没有瞄准多少人能获诺奖。能更深入地理解我们生活其中的大自然的奥秘、在自己的国土上建设国际科学中心、发展世界顶尖的新技术、培养成千上万的世界顶尖科技人才,与这些相比,再好的奖项都是浮云。


                • CEPC是中国提出的国际合作项目,目前CEPC团队已有多个国家的研究人员参与其中。任何人、任何团队基于CEPC所取得的成就、所获得的奖项,我们都有足够的胸怀去为此感到自豪。


                • 大型基础科学设施的建设可以具有良好的经济回报。欧洲核子研究中心(CERN)正在进行的大型强子对撞机高亮度升级(HL-LHC)项目,除科学上的收益之外,专业经济学家团队测算其效益成本比约为1.8 [5];其它加速器项目也有类似的研究,效益成本比都在2-3左右??悸堑礁孟钅慷曰】蒲?、人才教育及变革性高新技术发展所起的巨大推动作用,我们认为该项目的投入远不止物超所值。


                 个人简介 

                阮曼奇,清华大学-巴黎十一大学博士,中国科学院研究员,CEPC项目物理及探测器模拟研究负责人。阮曼奇及其团队完成了CEPC概念设计报告中的物理潜力分析、基线探测器设计、核心重建算法和基线软件工具开发。

                徐庆金,中科院高能物理所高场超导技术团队负责人、HL-LHC CCT国际合作项目负责人。2008至2014年于日本高能加速器研究机构及欧洲核子研究中心开展先进超导技术研究。2014年入选中科院 “百人计划‘A类’引进国外杰出人才”。带领团队研制出国内第一个10T级高场超导二极磁体;国际上首次完成铁基超导线圈24T高场应用的实验验证。


                   参考文献
                [1]http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2016/201610/t20161019_4681731.html
                [2]http://whmfc.hust.edu.cn/info/1507/2684.htm
                [3]Supercond. Sci. Technol. 32 (2019) 04LT01
                [4]Supercond. Sci. Technol. 32 (2019) 070501
                [5]https://home.cern/news/news/cern/society-benefits-investing-particle-physics
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