中科院高能所研究员:葛墨林院士反对建大加速器的论据有误

李大庆/科技日报

2019-06-13 08:08

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日前,科技日报刊登了对南开大学葛墨林院士的专访《“中国不应建大加速器”》(下称《葛文》),葛院士表明了反对中国建造大型环形对撞机的立场。中科院高能物理所研究员阮曼奇对科技日报记者说:葛院士的论述中存在一些事实性的错误和值得商榷的观点。
阮曼奇2008年获清华大学及巴黎十一大学粒子物理博士学位。其后在欧洲进行粒子物理和大型对撞机的研究。2013年返回中科院高能所,负责大型环形正负电子对撞机的模拟和探测器设计研究。
问:葛院士的论述中有事实性的错误吗?
答:是的。葛院士在专访中说:加速器的核心技术是强磁场。欧洲的大型强子对撞机(LHC)能够建成是因为欧洲有这种磁场技术;而国内的超导磁场技术做不出这种强磁场,造出环形正负电子对撞机(CEPC)所需的强磁场还需要理论、材料上的突破。
其实,中国的CEPC并不需要欧洲LHC那种(低温超导)强磁场技术,使用低场、常规电磁铁即可。LHC采用了80000高斯的强磁场、以确保在27公里周长的主环中可以约束住能量为7TeV的质子束流。CEPC的周长增加了近4倍,而其束流能量(120 GeV)却只有LHC的约1/60。因为环形对撞机上需要的偏转磁场强度是和带电粒子能量成正比的,但却和轨道半径成反比。
因此,中国CEPC主环偏转磁铁磁场强度只有LHC上的1/200,约为300—400高斯。这在去年发布的《CEPC概念设计报告》中已有说明。此外,北京正负电子对撞机上的偏转磁铁强度大约在2000—8000高斯,而且早就实现了量产。
即使未来CEPC可能升级到超级质子对撞机,需要200000高斯的强磁体技术,我们也有应对。中科院电工研究所与高能所合作,研制出基于多芯铁基超导线材的高场内插超导线圈,为性能更高、制作工艺简单的下一代高场超导磁体技术开创了一条可行的新路径。
问:就这一点事实性的错误吗?
答:还有。葛院士指出中国CEPC的造价估算中不包括基建费用。事实上,在目前360亿元的CEPC造价估算中,已经计入了30%的隧道和土建费用。所有由正式渠道公布的CEPC造价都包括了隧道和土建的费用。葛院士说日本政府刚宣布砍掉国际超高能直线对撞机中心(ILC)项目。其实,ILC并未下马,只是对是否承建ILC,日本政府延期做出决定。
问:您认为《葛文》中有些观点值得商榷?
答:是的。葛院士认为可以通过宇宙射线发现高能区的新物理,并举出“悟空”卫星发现的1.4TeV的例子加以佐证。
的确,宇宙射线在粒子物理发展的早期起到了重要作用。通过高空气球等探测方式,人们发现了缪子以及一系列强子。宇宙线实验不需要建立昂贵的对撞机,只需要守株待兔地等待物理信号,但它无法准确控制物理信号的产生,同时存在着信号事例数低以及信噪比难以控制等局限。
随着加速器技术的不断进步,宇宙射线实验已不再是粒子物理研究最有效的实验方法。半个世纪以来,粒子物理的绝大部分进展,无论是新粒子的发现还是标准模型的确立,都是通过加速器实验实现的。而葛院士提到的“悟空”卫星观测到的1.4TeV的新粒子迹象,到目前为止还未被任何其他实验所证实。国际上CALET合作组在2018年发表文章明确指出:“并未在1.4TeV附近发现明显的窄峰”。这和“悟空”卫星的观测结果完全不同。
问:还有什么葛院士的观点您不能同意?
答:葛院士还指出:“高能物理发展到现在,具有工程特点,理论上一定要特别清楚:要找什么?预计是什么样子?否则不值得投钱。”他说:“LHC就是明确要寻找希格斯粒子(因此才获得资助)。”这些观点我不赞同。
大科学工程是否获得资助,取决于其科学目标、可行性及对工业技术、文化经济的带动等等。具有清晰的理论预言并不是大科学工程获得资助的必要条件。比如,嫦娥工程和人类基因组计划,就很难说有什么清晰的理论预言;而科学史上无心插柳的重大发现也比比皆是。比如宇宙微波背景辐射的发现、日本神岗超新星中微子信号的发现等等。
欧洲LHC的科学目标不仅仅是发现希格斯粒子。在建设LHC的决策中,关键性的科学因素是因为当时的标准模型存在着理论上的巨大困难:理论预期在100GeV—1TeV的能标上要么存在希格斯粒子,要么存在超出标准模型的新物理。LHC发现了希格斯粒子,确定了标准模型在目前可观测能标下的成立,起到了从大量物理理论中去伪存真的作用。
归根到底,物理学是实验科学,不仅是对理论证伪的手段,也能带来前所未有的新的观测、新的数据,为理论的发展提供关键性线索和知识。
在采访中,阮曼奇特别对记者强调,目前人类对粒子物理的标准模型仍是知其然而不知其所以然。标准模型有着简单优美的数学结构,但人类并不理解自然为何选择这样的数学结构;标准模型有大量的自由参数,其取值决定了宇宙的面貌,但人类也不理解自然界为何选取了目前的参数。标准模型虽然在对撞机的实验中获得成功,但无法完美解释一系列重大问题,包括为何标准模型粒子质量相差巨大、在物质起源上为何宇宙中物质比反物质多、中微子质量从哪里来、暗物质和暗能量的本质是什么等等。
阮曼奇认为,对上述任何一个问题的解答都意味着基础物理学的重大突破。围绕上述问题,人们提出了大量的新物理模型,急需新的实验数据用于去伪存真。能准确测量希格斯粒子性质的对撞机将是探索上述问题、寻找标准模型背后更为基础的物理规律的绝佳手段。“全球高能物理学界倡议了大量的新型对撞机,其中中国的CEPC具有科学潜力巨大、技术相对成熟、项目造价相对低廉、时间进度可控的显著优势,有望实现重大突破。”
(原标题 中科院高能所研究员阮曼奇对葛墨林院士隔空喊话——“葛院士反对建大加速器的论据,我不同意”)
责任编辑:杨漾
澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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