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对撞机，究竟是个什么机

作者：陈缮真（中科院高能所特聘青年研究员）

在由科幻小说《三体》改编的同名电视剧中，对撞机可以说是最重要的道具了——正是因为“三体人”利用它们的高科技产物“智子”影响了地球上对撞机的实验，使得物理实验结果变得无规律可循，才让一部分科学家的信念崩塌，走上了自绝之路。那么，作为真实存在的科研设备，对撞机究竟是什么？它又对人类有哪些作用呢？

环形对撞机概念图。中科院高能所提供

粒子物理学的“标准模型”。欧洲核子研究中心

1.对撞机因何而生？

研究微观世界的大科学装置

在19世纪末期之前，人类对于世界的运行规律的认知几乎都只停留在宏观物体和现象上。19世纪末，从伦琴发现X射线，J.J.汤姆孙发现电子，卢瑟福发现α射线和β射线等实验起，物理学家们开始专注于微观世界的物理现象。特别是20世纪20年代量子力学建立之后，物理学家们逐渐意识到，在微观的尺度上，存在着一个跟宏观世界很不一样的世界，它的尺度如此之小，所以科学家们不得不借助一些特殊的实验仪器来观测其中的现象。

早期对于微观世界的研究，通常是对天然的放射性物质或宇宙线进行观测。那时的科学家，会将微观尺度的现象放大至宏观可见的尺度，然后再进行观测——科学家们会使用能在一些射线中曝光的照片底片，或者使入射粒子在过饱和蒸气中形成一连串的电离原子作为凝结核，进而在粒子轨迹上形成一连串的雾气的“云室”等来观测微观粒子造成的现象，并通过分析这些微观粒子所留下的径迹的结构和形状来推测粒子的性质。

在20世纪30年代前后，一个更加强大的粒子物理的研究工具出现了——劳伦斯发明了回旋粒子加速器。它的基本结构是两个半圆D型盒，以及D型盒之间的交流电场，两个半圆D型盒上则施加有可以使带电粒子偏转的磁场。在加速器的中心处放置有一个粒子源，其发射出的带电粒子受到电场的作用可以被加速，在进入半圆D型盒的磁场中时，则被磁场所偏转反向，并再次进入D型盒之间的交流电场。若时间调整合适，此时交流电场的方向正好可以翻转，带电粒子则再一次被加速。如此往复很多次，带电粒子就会被加速至带有较高的能量，其能量与方向均可被控制，可以极大地提高对微观粒子的研究能力。

回旋粒子加速器使得人类能够可控地获得带有较高能量的微观带电粒子，进而可以更准确地研究这些粒子的性质。然而由于相对论效应，高能量的粒子的回旋周期会随能量的增高而发生改变。于是科学家们将回旋粒子加速器的均匀磁场以及电场变化频率也做了调整，使之能够最大程度地让带电粒子获得能量。这种电场及磁场可控的粒子加速器叫做同步加速器。同时改变电场和磁场，也使得带电粒子在加速的时候不必须经历一个连续变化的半径，因此，同步加速器可以被做成环形。

由于量子效应的存在，想要研究更精细的粒子的结构，就必须获得更高的能量。加速器可以让粒子物理学家们获得前所未有的可控的高能量，于是粒子物理学的主要研究方式就变成了利用高能粒子加速器进行研究。因此，粒子物理学现在也被称为高能物理学。

早期的加速器主要用来加速带电粒子并轰击原子靶，进而对轰击产物进行统计分析。随着粒子物理实验的进展，粒子物理的理论也得到了蓬勃的发展。一些能量更高的粒子被预言，而想要产生这些粒子，则需要建设更高能量的实验设备。并且，利用被加速的粒子束来轰击固定靶的实验形式会将绝大多数的能量浪费在轰击产物的动能上，于是，实验物理学家们开发了一种能够大大节约能量的办法，那就是加速两束运动方向相反的粒子，以极为精细的操作控制粒子们的位置，让他们在极小的空间内对撞。利用这种办法，可以使粒子的动能最大化地被利用，而这，就是目前粒子物理学研究最重要的研究设备：对撞机。

国际直线对撞机示意图。中科院高能所提供

2.对撞机有什么用？

科学发现的助推器，高技术应用的试验田

作为粒子物理学最重要研究设施的对撞机，能够直接决定粒子物理学大多数研究方向的发展水平。而粒子物理学的研究，则会直接面对物质最基本的组成成分，以及物质间的最基本的相互作用这样的研究对象，进而探索质量起源、宇宙演化、暗物质等最深刻、最神秘的课题。对物质的最基本的成分和相互作用的探索不仅仅可以满足人类的好奇心，也会为未来几十甚至上百年后的应用储备知识。

在一个科学技术健康发展的社会，基础科学的研究水平应该是超越当前的时代的。也只有如此，能够影响人类生活的技术才能在有科学理论指导的情况下发展。如果基础科学研究停滞，那么在一段时间之后，技术的发展也会因为缺乏科学依据而难以进步。也正是因为这样的逻辑，《三体》小说和电视剧才会有“三体人”利用干扰对撞机实验来“锁死”人类科技的情节。

然而，对撞机不仅仅能够对粒子物理学研究起到至关重要的作用。作为世界上最宏大与最先进的一类基础研究设施，对撞机也经常是最新、最大胆的技术的试验田。就比如，人类第一次大规模使用超导磁铁就是在建设于美国芝加哥郊外的费米实验室的Tevatron对撞机上。

再比如，万维网的诞生，也与对撞机有密切的联系。

虽然因特网在20世纪六七十年代就已诞生，但早期的因特网没有网站，因此，因特网的使用是一个高度技术性和专业性的工作。20世纪80年代末，在位于欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机正式开机运行的前夕，欧洲核子研究中心的数据科学家蒂姆·伯纳斯-李为了让粒子物理学家们更高效地共享信息，设计了超文本传输协议（HTTP）。不久，欧洲核子研究中心的科学家们按照这个协议搭建了人类历史上第一台万维网（WWW）服务器。从此，用户登录服务器上的网站，浏览网页获取信息成为可能。万维网的出现彻底改变了人类信息交流的方式，使得“上网”这件事从高度技术性的专业工作变成了人人可以完成的轻松小事。

可见，对撞机这种由成千上万不同组件构成的、汇集了数千科学家与工程师的智慧才能建造而成的设施，其发展也能够带动许多不同应用领域的发展。

安装在北京正负电子对撞机上的北京谱仪Ⅲ。中科院高能所提供

3.未来对撞机什么样？

实现“希格斯工厂”对撞机

正如国内的很多现代学科一样，中国的粒子物理实验发展的历史比较短，道路也很曲折，但中国的高能物理学科发展得很快。

早在20世纪50年代，中国的物理学家就曾在苏联科学家的帮助下设想过在中国建设自己的粒子加速器。然而直到改革开放初期，中国的粒子加速器的最终建设方案才得以成型。

1981年12月22日，邓小平亲自听取了中国科学院关于建造22亿电子伏特正负电子对撞机建议报告会，并在会上批示：“这项工程进行到这个程度不宜中断，他们所提方案比较切实可行，我赞成加以批准，不再犹豫。”1984年10月7日，北京正负电子对撞机正式破土动工。1988年的10月18日，北京正负电子对撞机成功实现了首次对撞。至此，北京正负电子对撞机开始了它三十多年的科研生涯，在北京正负电子对撞机上运行的北京谱仪实验也成为第一个由我国主导的国际合作科学实验。

如今，在经过了几次重大升级改造之后，北京正负电子对撞机仍在运行中，并且已经是τ-粲能区物理领域全球最重要的研究设备。它也使得中国能在世界粒子物理研究的舞台上占据一席之地，也启发了不少科幻作品——电视剧《三体》中关于对撞机的部分，就是在北京正负电子对撞机的加速器隧道内取景拍摄的。

那么，未来对撞机会如何发展？中国又有哪些机会？

其实，对撞机物理一直在稳定发展中。2012年，在欧洲的大型强子对撞机上，科学家们发现了一种可以给其他基本粒子赋予质量的粒子，这种粒子被称为“希格斯粒子”，因为这种粒子与质量的特殊关系，它也常被媒体称为“上帝粒子”。希格斯粒子不仅仅和物质质量的起源有关系，早期宇宙演化的过程、暗物质等待探索的领域也与希格斯粒子息息相关。因此，未来对希格斯粒子的精确研究是国际粒子物理学界的共识。

在发现这种粒子的同时，科学家们也对它的质量进行了测量，并得出了最高效地产生这种粒子的方式，那就是以特定的能量进行正负电子对撞，能够通过这种形式大量产生希格斯粒子的对撞机被称为“希格斯工厂”。

有了这一信息，全球粒子物理研究主要强国纷纷提出了各自未来的“希格斯工厂”的方案。其中，2012年下半年，中国的科学家就率先提出了在中国建造环形正负电子对撞机方案，而欧洲科学家也紧随其后，提出了欧洲版的环形正负电子对撞机方案。日本的粒子物理学家则调整了原有的直线对撞机运行方案的能量，使得日本的对撞机方案也能大量产生希格斯粒子。

最近几年，在欧美日等国家和地区制定的粒子物理发展规划中，希格斯粒子的研究无一例外地均居于核心地位。欧洲的粒子物理发展战略认为，“希格斯工厂”是未来发展的最高优先级；美国的粒子物理战略讨论报告指出，美国将参加有希望最早实现“希格斯工厂”对撞机的项目。而2016年中国物理学会高能物理分会的决议中，也明确写明，我国提出的环形正负电子对撞机是我国未来高能加速器物理发展的首选项目。

与国际上其他几个“希格斯工厂”方案相比，中国方案在时间线上、粒子产出效率以及造价上均有一定的优势，因此也被国际粒子物理学界广泛视作未来旗舰型项目的主要选择之一。由于下一代对撞机的强大能力，国际上普遍认为，最先实现的“希格斯工厂”对撞机，将会成为未来国际粒子物理研究的核心。

应该说，如果中国能够把握住建设“希格斯工厂”对撞机的机会，那么下一代的中国粒子物理学家就真的有机会站到国际粒子物理学研究舞台的正中央。

《光明日报》（ 2023年02月09日16版）

来源：光明网-《光明日报》

电子-离子对撞机：研究结合可见物质的“胶水”的精密工具

图1：组成一个质子的粒子的质量之和——夸克（大色球）、胶子（黄色曲线）和夸克反夸克对（较小的球体）的质量之和为1.8×10-26克，而包含这些粒子及其相互作用的质子的重量几乎是100倍。EIC可以确切地揭示夸克-胶子相互作用是如何产生质子质量的。作者：布鲁克海文国家实验室

电子离子对撞机（EIC）计划由美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室（BNL）与托马斯·杰斐逊国家加速器设施（Jefferson Lab）合作建造，它将是研究原子最深未探测凹坑的最先进工具。它将深入研究构成原子核的质子和中子，提供前所未有的洞察这些粒子的内部构造块和将它们结合在一起的胶状力是如何构成宇宙中几乎所有可见物质的结构的。

电子-离子对撞机科学：质量起源

我们知道质子是由夸克和胶子海组成的（见方框）。这些胶子还不断产生夸克和反夸克对（称为海夸克）。因此，质子的内部微观结构是非常丰富的。人们可以假设，粒子的丰度可以解释质子的质量来源，但夸克几乎没有质量，胶子没有质量。如果我们把构成质子的夸克的质量加起来，它们只占质子总质量的1%。

剩下的99%呢？令人惊讶的是，它似乎来自于质子内部构件之间的相互作用能量。事实上，它看起来像核子，原子核，以及所有可见宇宙中的行星和星系都是通过无质量胶子和几乎无质量夸克的相互作用来获得质量的。这是怎么发生的？电子-离子对撞机将解决这个深奥而久远的谜团。

自20世纪60年代以来，物理学家们就知道质子和中子，统称为核子，是由被称为夸克的基本粒子组成的，它们被胶子交换产生的力束缚在一起。我们称之为“强大的力量”强大的力量取决于一种不同类型的电荷的存在，称为“颜色电荷”与“电荷”不同，电荷有两种类型（正电荷和负电荷），强电似乎有三种类型，称为“颜色”（红色、蓝色和绿色）。

另一个重要的区别是，与介导电磁力的光子不同，介导强电磁力的胶子可以而且确实相互作用。这是使强大的力量如此强大的特征之一。事实上，在自然界中找不到自由夸克是不可能的。相反，夸克总是被限制在复合粒子中，比如质子。然而，在质子内部，夸克基本上是可以自由移动的。

尽管经过60多年的探索，我们对夸克禁闭和质子内部渐近自由之间的明显差异以及胶子在强力相互作用中的作用的认识和理解，与我们对当今电子技术的核心力量电磁学的理解相比，令人惊讶地不足。我们能做得更好吗？是的，但为此我们需要确定胶子并更精确地理解它的胶子行为。为此，我们需要主任工程师。我们所学到的可能会揭开自然界最强大力量的秘密，以及应用这些知识的潜在新方法。

图2：质子和中子由三个价夸克（如图中带箭头的大色球）、胶子海（黄色摆动）和海夸克（右图中一对较小的彩色夸克和反夸克）组成。EIC将探索这些夸克和胶子的自旋及其可能的轨道运动如何产生质子的总自旋。作者：布鲁克海文国家实验室

电子-离子对撞机科学：自旋的起源

夸克和胶子也有一种称为自旋的性质——一种内在角动量的形式。你可以把自转想象成类似于地球绕自己的轴自转，结果是白天和黑夜。夸克和胶子是质子的一部分，质子也有一个明确的“自旋”，因此夸克和胶子自然会对质子的自旋作出贡献。然而，迄今为止进行的实验表明，夸克和胶子自旋只能解释质子总自旋的40-50%。

科学家们认为，质子的剩余自旋一定来自于质子内部的夸克和胶子的运动，这些运动与质子的轨道角动量一致，在地球的情况下，这就是行星绕太阳的运动。有足够的证据证明夸克和胶子在质子内部的横向运动，但只有EIC能够测量出这种运动是否与角动量一致。如果是真的，可能会出现一幅美丽一致的图片，表明解释核子自旋的轨道运动也会产生夸克和胶子的能量，同时也解释了质子的质量。

EIC科学：胶子饱和

过去实验的测量表明，原子核内的胶子数密度在高能解释夸克-胶子相互作用的理论可以解释这种增加。然而，在极高的能量下，除了实验所探索的之外，该理论和基本物理的某些基本规则和论据表明，胶子密度的上升有一个上限。

在这种情况下，一种新的饱和胶子物质状态，称为彩色玻璃凝聚体（CGC）有望形成。对CGC的理论研究表明，它应该具有一些非常有趣的特性，包括与我们宇宙中密度最高的天体中子星核心的能量密度一样高或更高。这种奇异的胶子物质真的存在吗？如果是的话，它的性质是什么？我们如何系统地研究它们？如果CGC不存在，那么物理学中有什么未知机制限制了高能下胶子的数量？电子-离子对撞机将探索这一奥秘。

图3：质子中胶子的数量随着能量的增加而增加。理论预测它必须饱和才能形成一种新的胶子形式的物质，称为彩色玻璃凝聚体。发现和详细研究CGC是EIC的主要目标之一。作者：布鲁克海文国家实验室

主任工程师向前迈进

认识到理解质量和自旋起源的重要性以及发现和研究核子和原子核中饱和胶子态的潜力的重要性，一个国际物理学家团体概述了一台可以开始探索核物理这一新前沿的机器的参数。

一致意见要求建造一个高强度、高能电子-离子对撞机，并控制碰撞光束中粒子的自旋方向。美国国家科学、工程和医学院（NAS）2018年的一份报告总结说，“EIC科学是令人信服的、基础性的和及时的。”2020年1月，美国能源部（DOE）宣布，该设施将建在纽约布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）。最近的一项评估认为，美国能源部科学办公室（DOE Office of Science）为主任工程师提供的成本范围为17亿至28亿美元，预计纽约州将提供1亿美元的捐款。

杰弗逊和其他实验室的技术人员，以及其他来自布鲁克实验室的专业人员正在合作。该团队希望在2024年开始建设，目标是在20世纪30年代内对撞机投入运行。

EIC将具有以下主要特点：

高亮度：EIC将以1×10的速率产生粒子碰撞34每平方厘米每秒。大量的碰撞（也称为高亮度）意味着大量的数据。高极化：电子和一些离子束都将被极化，这使得EIC成为世界上唯一具有这种能力的设施。这意味着粒子的自旋可以以特定的方式排列。EIC物理学家将对撞极化粒子来研究它们内部的自旋和轨道运动积木为他们的整体发展做出贡献。高能：EIC将在200亿到1400亿电子伏特（GeV）的可变质量中心产生碰撞。在普通事物的尺度上，这比两个蚊子相撞的能量要少。但是，在电子与质子碰撞的尺度上，它足以产生质子内部成分的高分辨率快照。不同的离子种类：EIC的离子源，已经在相对论重离子对撞机（RHIC）和邻近的NASA空间辐射实验室使用，可以提供周期表上几乎任何元素的离子。光离子束（质子、氘和氦-3）将从它们的源头产生偏振。EIC的科学家们将使用从质子到重离子的广泛光束，来探索离子大小和原子核的其他特征如何影响夸克和胶子的性质和相互作用。

图4:EIC将使用现有的相对论重离子对撞机（RHIC）的隧道，该隧道目前作为美国能源部布鲁克海文实验室核物理研究的科学用户设施，以及其中一个现有的离子加速器环（以黄色显示）。一个新的电子束设施（红色和青色）将被建造来注入、加速、储存电子，并在两个可能的探测器位置与离子（原子核被剥离电子）碰撞。离子束将在离子源处制备，并通过现有加速器链（绿色）加速，包括助推器和交变梯度同步加速器（AGS）。作者：布鲁克海文国家实验室

EIC探测器的设计

世界各地的科学家也在努力设计探测器系统，以充分利用EIC的技术能力。EIC用户组（EICUG）于2016年正式成立，一直积极与布鲁克海文实验室和杰斐逊实验室管理团队以及DOE合作制定计划。从大约700名科学家开始，该组织现已发展到超过1300名参与者，来自超过250个机构和33个国家。当EIC准备好运行时，预计将有2000名科学家进行实验。

EIC项目管理团队于2021年2月发出了探测器合作建议的呼吁。这一呼吁正式启动了完善探测器设计和形成实验合作的进程。三个团队提交了详细的计划，目前正在由布鲁克海文实验室和杰斐逊实验室管理团队任命的外部委员会进行审查。

理想情况下，EIC的科学家们希望建造两个互补的探测器，这样他们就可以收集不同种类的数据和/或互相核对对方的发现。布鲁克海文对撞机复合体有两个相互作用区域，用于此类大型EIC探测器。美国能源部科学办公室的EIC项目包括为加速器、一个交互区域和一个探测器提供资金。

作为电子离子对撞机团队合作建设战略的一部分，项目组和用户组正在努力吸引更多的资金来源，包括国际和非能源部的资金。这些额外的非能源部资金可能被用于在第二个相互作用区域建立一个互补探测器系统，以最大限度地提高EIC综合体的科学产出。EIC项目随时准备探索所有这些可能性，并欢迎来自世界各地的任何此类合作倡议。

图5：理想的EIC探测器，如EIC用户组报告中所设想的，包括用于跟踪和识别各种类型的粒子并测量其能量和动量等特性的子探测器系统。作者：布鲁克海文国家实验室

社会效益

EIC将是有史以来设计和运行的世界上最复杂的加速器项目之一。EIC的多功能性和灵活性使其成为一台具有挑战性但令人兴奋的机器。参与该项目的物理学家和工程师将开发许多最先进（或更先进）的加速器技术，以便在未来几年内使这台机器成为现实。这样一项具有挑战性的努力将吸引世界上最有才华和雄心勃勃的加速器科学家。目前正在与领先的国家和国际加速器实验室开展合作，以贡献和参与EIC设计。一旦探测器开始建造和EIC投入运行，类似的国际合作有望出现。

这种集中精力设计和开发新技术的努力，很可能引发影响远远超出核物理领域的创新。癌症治疗就是一个例子。与粒子束相关的EIC改进可以改善用于治疗癌症的粒子束的输送和质量，降低成本，提高效率和疗效。

另一个潜在的影响可能是工业用加速器的改进，例如测试计算机芯片，研究电池和太阳能电池的新材料，开发替代和清洁能源技术。这些改进也将有利于生物医学行业，在那里，加速器被用来研究不同种类的蛋白质，包括药物和疫苗的开发，以及检查和保持我们的食品供应安全。

预计对电子-离子对撞机探测器组件的研发也将推动技术的发展，并带来可直接出口用于安全行动的新思想，例如，识别封闭货柜中的非法药物或识别其他国家安全（敏感）材料。

此外，EIC对高效数据收集、存储和分析的需求将推动计算技术的进步，并扩展到其他领域，包括金融、气候建模和其他数据密集型挑战。