微觀世界的“超級賽道”：中國計(jì)劃建造全球最強(qiáng)大的“粒子碰碰車”

出品：科普中國

作者：郭菲（煙臺大學(xué)）

監(jiān)制：中國科普博覽

在科幻電影中，我們常?？吹侥軌蜃杂蛇M(jìn)出微觀物質(zhì)世界的未來科技。而現(xiàn)在，這樣的科幻場景在中國正變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。在地下，一條100公里長的隧道中，一臺巨大的“顯微鏡”或?qū)⒄Q生，它可以讓我們窺探地球乃至宇宙最深處的秘密。

這就是中國計(jì)劃建造的世界最大粒子對撞機(jī)——環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)（CEPC），它不僅將推動基礎(chǔ)科學(xué)研究的進(jìn)步，還可能徹底改變我們對宇宙的理解。

揭秘粒子對撞機(jī)：微觀世界的“超級賽道”

粒子對撞機(jī)就像是微觀世界的“超級賽道”。在這個精密的設(shè)備中，科學(xué)家們通過精巧而復(fù)雜的加速電場讓微小的粒子以接近光速的速度運(yùn)行，繞過長長的隧道，在特定位置相撞。

當(dāng)兩束高速粒子在預(yù)定的“觀察點(diǎn)”相撞時，就像是在亞原子尺度上制造了一次微型的“宇宙大爆炸”。這種高能碰撞能讓我們觀察到平常隱藏的物理現(xiàn)象，其原因在于，根據(jù)愛因斯坦著名的質(zhì)能方程E=mc2，我們可以得知，巨大的能量可以轉(zhuǎn)化為物質(zhì)。因此，在這些高能碰撞中，瞬間釋放的巨大能量可以創(chuàng)造出我們?nèi)粘Ｊ澜缰胁⒉怀Ｒ姷姆N種現(xiàn)象，也讓我們有機(jī)會得以窺探微觀粒子的結(jié)構(gòu)奧秘。

更令人興奮的是，這種高能碰撞還能再現(xiàn)宇宙誕生瞬間的高能狀態(tài)。通過模擬宇宙早期的高溫高密度環(huán)境，我們可以更好地理解宇宙如何從一個奇點(diǎn)演化成我們今天所見的浩瀚星空。這就像是擁有了一臺“宇宙時光機(jī)”，讓我們有機(jī)會研究宇宙最初的模樣。

這就是環(huán)形加速器被譽(yù)為現(xiàn)代物理學(xué)最重要的工具之一的原因。它不僅是探索微觀世界的“超級顯微鏡”，還是研究宇宙起源的“時光機(jī)器”。

裝備于大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）的緊湊μ子線圈（CMS）偵測器，右下方的梯子凸顯出尺寸大小。

（圖片來源：維基百科）

中國計(jì)劃建造的這臺粒子對撞機(jī)被稱為“環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)”（CEPC）。它的主要目標(biāo)是研究希格斯玻色子，這種在2012年被發(fā)現(xiàn)的神秘粒子被形象地稱為“上帝粒子”。就像一本神奇的魔法書中最核心的咒語，希格斯玻色子被認(rèn)為能夠賦予其他粒子質(zhì)量。

通過深入研究它，科學(xué)家們希望能夠解答一些宇宙中最基本的問題：為什么物質(zhì)會有質(zhì)量？宇宙是如何演化的？為什么宇宙中的物質(zhì)比反物質(zhì)多？

在標(biāo)準(zhǔn)模型中的費(fèi)米子有六種是夸克（以紫色表示），有六種是輕子（以綠色表示），除了費(fèi)米子以外，還有四種規(guī)范玻色子（以紅色表示），以及希格斯玻色子（以黃色表示）。

（圖片來源：維基百科）

CEPC就像是幫助我們解讀這個核心咒語的工具。通過建造這臺“超級顯微鏡”，中國科學(xué)家們正在為人類探索宇宙奧秘貢獻(xiàn)重要力量，有望在基礎(chǔ)物理學(xué)研究領(lǐng)域取得重大突破。

CEPC：科技創(chuàng)新的結(jié)晶

CEPC的設(shè)計(jì)堪稱是一項(xiàng)工程奇跡，體現(xiàn)了多項(xiàng)尖端科技的融合。這個巨大的“賽道”由一個周長達(dá)100公里的地下隧道組成，相當(dāng)于250個標(biāo)準(zhǔn)400米跑道首尾相連的長度。在這個龐大的設(shè)施中，粒子將被加速到接近光速，產(chǎn)生高能量的碰撞。CEPC的獨(dú)特之處不僅在于其規(guī)模，更在于其效率和精確度。它每年可以產(chǎn)生數(shù)百萬個希格斯玻色子，這將讓科學(xué)家們能夠以前所未有的精度測量這種神秘粒子的性質(zhì)。

CEPC團(tuán)隊(duì)、國際顧問委員會和《CEPC概念設(shè)計(jì)報(bào)告》國際評審委員會部分成員合影

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

更令人興奮的是，如果一切順利，CEPC有望在2027年開工建設(shè)，用時約10年完工。這意味著它要比歐洲的未來環(huán)形對撞機(jī)（FCC）計(jì)劃至少提前幾年完成建設(shè)，中國很可能因此在這場科技競賽中占得先機(jī)。

挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存：打造世界級科研平臺

然而，將CEPC這個宏偉的計(jì)劃變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)并非易事。建造如此龐大精密的設(shè)備需要突破多項(xiàng)尖端技術(shù)，從超導(dǎo)磁鐵到精密控制系統(tǒng)，每一個組件都要求極高的精度和穩(wěn)定性。這就像是在組裝一臺超級精密的手表，每一個零件都不容有絲毫差錯。

工程方面的挑戰(zhàn)同樣巨大。挖掘100公里長的地下隧道需要考慮復(fù)雜的地質(zhì)條件和環(huán)境影響。目前，秦皇島、長沙和湖州三個城市正在競爭CEPC的選址權(quán)，每個地點(diǎn)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

CERN LHC對撞機(jī)隧道內(nèi)部

（圖片來源：維基百科）

盡管面臨這些挑戰(zhàn)，CEPC項(xiàng)目同時也帶來了巨大的機(jī)遇。它將推動中國在多個高科技領(lǐng)域的發(fā)展，從超導(dǎo)技術(shù)到精密制造，都將受益匪淺。更重要的是，它將為中國培養(yǎng)一大批世界級的科學(xué)家和工程師，為未來的科技創(chuàng)新奠定堅(jiān)實(shí)的人才基礎(chǔ)。

展望未來，如果CEPC項(xiàng)目順利實(shí)施，它將為人類打開認(rèn)識宇宙的新窗口。CEPC項(xiàng)目無疑是一次大膽的科技冒險(xiǎn)，但正是這種勇于探索未知的精神，推動著人類文明不斷向前。無論結(jié)果如何，中國提出并推進(jìn)這一宏偉計(jì)劃的勇氣，已經(jīng)彰顯了一個科技大國的雄心與擔(dān)當(dāng)。讓我們共同期待這架由中國制造的巨大“顯微鏡”，幫助我們揭開宇宙的更多秘密！

參考文獻(xiàn)：

1. Nature, China could start building worlds biggest particle collider in 2027

2. 王貽芳，建設(shè)大型加速器 實(shí)現(xiàn)科學(xué)夢