在中国建造下一代粒子对撞机，到底值不值？

　　所谓“能量前沿”，就是利用结构复杂的粒子，以更高的能量对撞来探索未知未见的粒子或现象，是一个“大力出奇迹”的过程。利用LHC进行新物理的探索，是一个在大量杂乱的数据中筛选找出新粒子或者新现象的过程。

　　打个比方，LHC里的粒子就像满载各种杂物的货运火车，越高能量的粒子相当于有越大容量的货仓，从而有更高概率装进去一些稀有的东西。如果我们想知道货仓里有什么，只能用一种“野蛮”的方式来探知，那就是将两列火车相撞，把货仓撞碎看看里面有什么。

　　在大量散落的货仓对撞物中，希格斯粒子就像是一盒冰淇淋。过去几年中，科学家们在强子对撞机的对撞产物中找到了很多新鲜东西，其中就包括了这盒冰淇淋，物理学家们已经找了它几十年，它的发现为下一步的亮度前沿实验的设计指明了方向。

　　在高能物理学实验中，位于欧洲核子研究中心的LHC，位于美国费米实验室的兆电子伏特加速器（Tevatron），以及在上个世纪九十年代初不幸流产了的超导超级对撞机（SSC）都属于这一类能量前沿的实验装备。

　　而所谓“亮度前沿”，则是以“干净”的粒子进行对撞，压低其他不关心的粒子或者现象产生的几率，从而对想要研究的粒子进行精确测量的过程。

　　这类亮度前沿的实验通常是用正负电子这一类只参与量子电动力学（QED）过程而不参与量子色动力学（QCD）过程的轻子在目标粒子的阈值能量处进行对撞，从而达到最高的纯净度和统计量，进而完成对目标粒子各种性质的精确测量。

　　这个过程就像假如我们想研究一盒冰淇淋，那就直接从冰淇淋工厂生产一盒。通过这样的过程获得的冰淇淋，比把它放进对撞的火车货仓里，再从撞碎散落的零件中找到的冰淇淋要干净得多。

　　通常来说，高能物理学中的“某某工厂”实验，包括日本高能加速器研究机构（KEK）的Belle实验，美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）的BaBar实验，以及在规划中的“希格斯工厂”和τ-粲工厂等，都是亮度前沿的实验。

　　图为位于日本高能加速器研究机构的Belle实验（左图）和位于美国斯坦福直线加速器中心的BaBar实验（右图）

　　CEPC以及欧洲规划中的FCC-ee都是希格斯工厂，顾名思义，它们都是为了研究希格斯粒子的性质而规划设计的实验。在今年初FCC-ee计划的《FCC概念设计报告》发布时，人们发现它关键参数的设计与之前发布的CEPC的《CEPC概念设计报告》中的关键参数“几乎一模一样”。

　　为何这样呢？是因为希格斯粒子被发现后，其阈值能量已经确定，对其进行精确测量的物理目标也已确定，而100公里尺度的环形电子对撞机是最快捷、最有效也是最便宜的方式。

　　这一类对撞机中产生的希格斯粒子比在强子对撞机LHC中产生的要干净太多，根据《CEPC概念设计报告（卷II）》中的计算，CEPC产生的希格斯粒子的信噪比LHC好一亿倍，精度高十倍以上，对新物理敏感的能标高十倍。

　　CEPC的设计不仅能精确测量希格斯粒子，还可以将W，Z粒子的测量精度提高1-2数量级，并且还能用来进行电弱相互作用，量子色动力学，顶夸克和重味物理相关问题的精确研究。

　　除此之外，CEPC所设计的能量区间还有潜质在希格斯粒子有效场论、希格斯粒子质量起源问题、希格斯势能性质、电弱相变过程、暗物质研究、惰性中微子、重味物理反常现象等领域发现新物理。

　　现代粒子物理标准模型虽然惊艳，但还不完备，仍然有很多待定的参数，并且也存在着很多与标准模型不符的实验观测结果，而且标准模型也只是在研究占宇宙5%的可见物质，剩下更多都仍属未知。

　　所以，对人类来说，探索远未达彼岸，下一代粒子对撞机的投入运行会带领人类在向未知领域再迈进一步。

　　2.高能物理能给普通民众带来什么？

　　目前，世界各国粒子物理学家之间也在博弈，他们都希望下一代粒子对撞机建在对自己有利的位置。如果二十年后，在新的亮度前沿实验，或者升级后的LHC上发现了新物理迹象，物理学家们确认了建造下一代能量前沿的对撞机的必要性，那么新的能量前沿实验就可以利用届时现存的100公里的电子对撞机坑道，安置未来新的质子对撞机（SppC）。