環形正負電子對撞機

希格斯粒子是粒子物理“標準模型”預言的解釋物質質量起源的粒子。經過全世界物理學家近半個世紀的努力，2012年歐洲核子中心（CERN）宣佈大型強子對撞機（LHC）上的實驗發現了希格斯粒子。這項成果標誌着“標準模型”的完成，也標誌着新時代的開始。基礎物理學因此面臨着一個重要的轉折和發展機遇。

對於中國的高能物理研究，乃至整個科技的發展，這是一個難得的重要機遇。在中國建設一個以超高能環形加速器為核心的世界級大型加速器基地，研究希格斯粒子及相關的科學問題，尋找超出“標準模型”的新物理，尋找未來發展的突破口。這一基地將採用國際化的方式運作、管理，吸引國內外上萬名科學家與工程師參與，聚集一批高新技術企業，形成一個大型科學研究中心和國際科學城,最終發展為世界科學的中心之一。

基於加速器的粒子物理研究對基礎物理學的發展、尖端技術的進步和社會經濟的發展都帶來深刻影響。對物質根本結構的研究引領了數百年來科學的發展。二戰後，基於加速器的粒子物理研究則引領了對物質根本結構的研究。在過去六十多年裏，美國、歐洲各國及日本等科技發達國家均投入巨資，不斷建造各種大型加速器，使人類對物質結構的認識有了巨大的發展，並推動了交叉科學研究的發展。諾貝爾物理學獎方面30%與加速器直接相關，諾貝爾化學獎方面多個獎項也得益於加速器設施。加速器物理與技術本身也得到了飛速發展，並在醫療、工業、科研、安全檢查等方面有了大量的應用。相關的探測器、機械、電子、微波、低温超導、計算機及網絡等技術也得到巨大發展。例如歐洲核子中心為解決大型正負電子對撞機上海量高能物理數據的傳輸問題，發明了WWW網絡技術，從根本上改變了人類生活。

建造高能量前沿實驗裝置是未來粒子物理研究的發展趨勢。2012年7月，CERN宣佈大型強子對撞機（LHC）上的實驗發現了希格斯粒子。這是人類對物質世界認識的重要里程碑，它完成了對物質結構描述的標準理論，也預示着新時代的開始。科學家們開始討論基礎物理學將向何處發展？國際上出現了十幾個基於加速器的高能量前沿實驗裝置。我國科學家於2012年9月提出建造下一代環形正負電子對撞機（CEPC）並適時改造為高能質子對撞機（SppC）的方案，在國際上引起巨大反響。CERN隨後將此方向列為其粒子物理2013-2018年五年規劃中的一部分，並於2014年2月啓動了對未來環形對撞機的設計研究。國際未來加速器委員會（ICFA）已正式宣佈將支持這樣的研究並鼓勵進行全球合作。

中國正面臨引領世界科技發展的良機。作為正在崛起的大國,中國應該擁有世界頂級的大型科學研究中心並引領世界科技的發展。該項建設方案將使用和發展世界上最先進的加速器相關技術，如機械、電子、真空、射頻微波、低温超導、輻射防護、計算機及網絡等技術，可以大大推動相關領域的發展。超高能環形加速器的建設運行和相關研究需用國際化的方式運作、管理，將吸引國內外上萬名科學家與工程師參加，形成一個國際化的大型科學研究中心。該研究中心還將聚集一批高新技術企業，進而形成國際科學城，並最終發展成為世界頂級的大型科學研究中心之一。該項建設方案的實現，將使中國的基礎物理學研究在未來三十年中成為世界第一，並極大提升國家科技創新能力和國際競爭力等軟實力，大大提高中國的國際地位。

這一機遇面臨激烈的國際競爭，時間窗口不到十年。我們在高能物理領域的主要競爭對手包括日本和歐洲。日本忙於國際直線對撞機（ILC），暫時不會和我們競爭。歐洲核子中心（CERN）已開始組織對未來環形對撞機的設計研究，但它2030年之前將忙於LHC運行及其升級。因此，如果不能在2025年之前啓動項目，中國將錯失良機。以後何時再有這樣的機會，恐怕誰也無法預料。我們希望能抓緊時間儘快啓動設計和預研工作。 ^[4] 

選址。該項建設應當選擇環境優美、旅遊資源豐富、人文條件好、國際化基礎好、地質條件好、交通方便、地方政府支持且有未來發展潛力的地區，以發展出國際科學城。

隧道建設。為建設周長達50 ～ 70 km 的環形對撞機，首先需要建造一條寬約7 m 的地下隧道，以節約用地並屏蔽輻射。隧道埋深大約在地下50 ～ 100 m 左右，以不影響地面建築。為節約造價，減低建造風險，提高建設速度，一般要求地質條件為花崗岩。在中國建造這樣的隧道沒有技術難度，造價大概也是全世界最低的。

CEPC的關鍵技術和初步設計參數。首期正負電子對撞機（CEPC）的設備主要包含超導高頻加速系統、普通常温磁鐵、真空、電源、束側等，大部分技術中國已經基本掌握，總體上沒有大的技術困難。初步的設計參數如圖《CEPC初步建設方案》所示：

SppC的關鍵技術和初步設計參數。二期質子對撞機（SppC）需要製造大量的超高場強超導磁鐵，技術難度較大。但由於中國參加了ITER項目，超導導線方面還不是完全空白，高能所也有大型螺線管超導磁鐵的基礎。相信通過20 年左右的努力和國際合作的幫助，應該可以掌握。初步的設計參數如下：

進度計劃如右表所示。

未來可發展為世界科學中心。在中國建設這樣一台加速器，將引領國際高能物理及相關技術的發展，使中國確定無疑地全面領先國際，成為國際研究中心。這是近代以來國人夢寐以求的事，也可以成為中華民族全面復興的標誌。該建設與科學研究將需要國內外上萬名科學家與工程師，用國際化的方式運作、管理，因此需要建設一個國際化的大型科學研究中心。依託該研究中心，還會有許多相關設備及服務企業，圍繞該中心可以建設一個國際科學城，並發展成為一個世界科學中心 ^[5]  。

環形正負電子對撞機（CEPC）主要科學目標：利用質心繫能量250GeV附近的正負電子對撞產生大量的乾淨希格斯粒子事例從而精確測量其性質，確認該粒子是否標準模型希格斯玻色子，並通過它深入研究電弱對稱性自發破缺機制和質量起源等基本問題，尋找超出標準模型的新物理的線索。 ^[6]