如何看待王贻芳「中国建造大型对撞机，今天正是时机」的言论？

这几天突然因为丘先生，杨先生，王所长的几篇文章，对中国未来加速器项目 (CEPC/SppC) 热议。网络上粗粗看一下，几乎是一边倒站在杨先生那边。我本人专门从事高能现象学研究，参与过这个项目的预研究，目前手头刚发布的 / 正在写的 / 正在准备写的文章都会涉及这个项目。由于背后的物理问题实在是很庞大，我认为有必要单独谈一下 CEPC 背后的物理，而不是随便拿网上各种著名人士硬点的说法搬出来，把 CEPC 这个项目批判一番。

进入正题前，我需要声明本文不触及以下几个问题。(1) 本文不回答关于建造加速器项目的费用预算问题，这个我完全支持并且相信王所长的论据。即便是国内的物理和高能物理圈，几乎没几个人比王所长在这方面更专业和有经验。我一个做现象学研究的，没有高能实验经历的人，随便评论实验的费用估算是不专业的。此外，我本人也不是 senior professor 以至于有资格影响基金的决策。作为没有决策科研经费的经历的人，随便评论这个项目经费对其他学科的影响，也是非常不合适的。(2) 本文不讨论后续的 SppC 项目，这个话题直接涉及很多超出标准模型的物理，过于庞大，适合单独讨论。(3) 接着(2)，本文不讨论关于超对称 / 超对称模型的话题（对于专业人士，这里我想用“超对称”和“超对称模型”分别指代 formal susy theory 和 N=1 MSSM/NMSSM models），以及目前超对称模型（而不是超对称）到底被 LHC 否定了没有。非专业人士如果不明白我想说的意思，你需要的是学习完了再来发表评论。这个话题同样很庞大，需要单独讨论。

除此之外，为了方便非专业人士阅读，本文自带各种 quiz, 您有空可以自己 Google 一下答案。

以下言归正传：

1, 什么是 CEPC？ 它是怎么来的？

CEPC = circular electron-positron collider, or Chinese electron-positron collider. 前一个表述通常是王所长在对外场合用的，用来得到国际高能圈的认可。这里有两个需要提及的背景。第一，毋庸置疑 2012.7.4, LHC 的实验宣布发现了 Higgs boson, 质量是大约 125 GeV. 第二，比较少的人知道，当年的 SUSY 会议 8 月份在北大 [quiz: 请说出具体在北大那个楼里开的] 举行。这个会议其实是目前国际上高能物理（尤其是现象学）最重要规模最大的一个会议，加上前面的 preSUSY school 有一周多的时间。会议话题集中在 Higgs physics, BSM physics, dark matter, neutrino, and so on，映像中比较 formal 的话题只有几个关于散射振幅的报告。除此之外，当时这个会议上，几个有份量的美国教授明确提出希望和中国一起推动搞未来加速器项目，我记得清楚的有大会的组织者之一 Pran Nath, 还有 JHU 的 J. Bagger [quiz: 请列举 Bagger 的一本代表作]。美国高能届其实多半是看重的中国有钱，以及中国政府的决策速度。从这个意义上说，是美国的高能物理学届在 Higgs boson 发现后，更早更急迫的意识到了发展未来加速器的可能性。可是就在前一年，美国的加速器，发现了 top quark [quiz: 请写出 top quark 质量] 的 Tevatron 刚刚停止运行。中国高能届对这个事情，至少在 SUSY 2012 上我没有看到有正面的回应。我相信这个事情的可行性，更权威的应该来自于实验学家而非现象学家。到 9 月份，我第一次听说了王贻芳所长的这个提议。到第二年的 9 月份，国内举行了第一次香山 CEPC kickoff meeting。

这个提案为什么是这样一个环形加速器呢？我理解原因有二。其一，日本的一个提案，现在叫做 ILC=International Linear Collider (曾经叫做 JLC= Japanese Linear Collder)，已经是一个直线 Higgs 工厂方案，并且早就完成了 TDR=technical design report。我们没可能也没必要去重复这个。其二，环形加速器可以借鉴 CERN 从 LEP [quiz: 请写出 LEP 的质心能量] 到 LHC 的发展轨迹，同时提升到不同的能量区间。

2, 为什么可以并且需要在不久的若干年后建造这个机器？

首先谈可行性。

CEPC 的物理目标是相当明确，且物理上是 well-defined 的，即来精确测量 Higgs 的各种性质，精确测量 Higgs 的各种性质，还是精确测量 Higgs 的各种性质。CEPC，及其同类竞争的正负电子加速器，在它们运行的能区大约 250 GeV 绝没有可能用来直接发现所谓的超对称粒子。CEPC 在质心能量 250 GeV 产生 Higgs 的时候，主要通过的是 Higgs 伴随 Z-boson 的产生 [quiz: 请自行画出这个过程的费曼图]。在标准模型里面，这个过程产生的截面大约是 0.2 pb [quiz: 请 figure out “pb” 这个单位代表多大的面积]。如果算上积分亮度为 5 ab-1 的话，CEPC 一共将制造 _____ [quiz: 把 的数字填上，按照 400 亿人民币算算 1 个 Higgs 花多少钱，并与北京房价进行比较] 个 Higgs boson.

有了上面这么多数量的 Higgs, CEPC 要测量的 Higgs 性质有啥呢？主要有和标准模型费米子 [quiz: 写出所有标准模型费米子] 的耦合系数，和规范玻色子 [quiz: 写出所有规范玻色子] 的耦合系数，这些精度们普遍能达到 1% 甚至更好。这还不算完，因为我这里说的是和标准模型长差不多形式的耦合。那有木有不一样的耦合呢？在各种 BSM 物理中，答案简直是一定有的。比如李政道先生 70 年代最早做的 two-Higgs-doublet model 里面，Higgs boson 就可以有 CP 破坏的耦合 [quiz: 解释"CP"的物理意义]。而 CP 破坏这个事情，对于我们理解宇宙到今天演化成重子数远大于反重子数这样一个极不平衡的状态，意义至关重要。[quiz: 请说出重子数如果和反重子数严格相等，对宇宙意味着神马。] 我们刚发现的 Higgs boson 到底有没有 CP 破坏呢？现在不知道，直接测量了才知道。[special quiz: 请有原子分子物理研究背景的同学说出间接测量 CP 破坏的实验们，并且讨论哪家强。] 当然还有个，就是 Higgs boson 自己和自己们的耦合，简称自耦合。这个事情在 CEPC 上是个间接测量。最早是在这篇文章里头 (https://arxiv.org/abs/1312.3322) 说了这个事情，大意是说通过精确测量 CEPC 等机器上 Higgs 伴随 Z-boson 产生的截面，可以来限制 Higgs 的自耦合。不过这个工作远非谈的上是个完整的考虑，因为能导致截面这个观测量和标准模型预期偏差的因素很多。比如有些模型里面搞些新的粒子进来，完全可以改变这个截面。这意味着精确测量这个截面本身如果发现和标准模型预言有偏差，就会意味着存在新物理。至于新物理到底是啥，目前的 LHC 正在积极寻找；并且我之前的研究过程中知道有些即便是很流行的模型要完全检验，恐怕要靠更后面的 SppC 来搞。

然后谈紧迫性。

CEPC 真的可以在等 10-20 年后搞吗？我认为答案是否定的。这个需要说一下加速器项目的立项周期。我本人知道的是一些大致步骤。对于这样的一个大型加速器研究，大致分为三大块，分别是物理理论，加速器，探测器。现象学家们主要在物理理论方面去努力，而更大头的一块来自实验学家的努力，那就是需要去设计加速器，探测器这两块最最核心的东西。相比较而言，物理理论的研究我个人觉得比较轻松；难点来自于实验部分。实验物理，我国在 80 年代建了 BEPC，另外目前国内有一些主要单位在参与 LHC 实验。但是相比美国及欧洲，直到今天中国的高能物理研究团队是很少的。因为基础不如欧洲，美国，所以目前起步开始做预研究势必是滞后的，更不提我们在技术上还面临各种禁运封锁的状况。王所长目前的提议时间点，是要争取在 2030 前开始我们的实验，无非是在这个时间前，CERN 还是会集中运行 LHC 实验。同时，CERN 目前本身也在紧锣密鼓的进行他们下一步的 Fcc 预研究。下面秀个 CERN 的下一个 Fcc 的想象图（虚线部分），实线部分为目前的 LHC 的尺寸。

对于中国来说，一旦错过这个时机，尤其是在最近～10 年左右积累起自己的人才队伍，CERN 在 2030 之后会接下去直接上马搞 Fcc。即便是目前中国在推动 CEPC 这个努力的同时，CERN 本身甚至有更疯狂的想法来直接先上 100 TeV pp 加速器，来和中国的项目竞争。我亲耳在参加的港科大的高能物理会议上听过这样的提案。对于整个方向，这个时间窗口可以说是稍纵即逝，如果中国没有能搞定 CEPC 这个项目，那样在中国的 80-90 后年轻人这代，甚至我们的下一代 00-10 后的人来说，在这个领域面临的状态说难听点和 20-30 年前没有本质区别。高能物理的主导权永远不可能在我们手里。没有这样的大科学装置的主导权，也很难想象相关的其它技术积累如何进行。物理学甚至是其它学科的同行们应该仔细想想你们平时的实验有多少仪器是大量从国外采购而非自主研发（至少我本人听说科大最厉害的方向，量子信息的实验室遇到过买国外仪器太多被禁运的事件）。如果没有大科学项目推动的技术进步，你们未来几十年的状况会有本质变化。

3, CEPC 有何竞争对手，相比而言，CEPC 有何优势及不足？

从前面提到的内容里面，CEPC 当下的竞争对手有两个，分别是日本主导的 ILC 和欧洲 CERN 主导的 Fcc-ee/Fcc-hh 项目。

CEPC 和 ILC pk 的话，其实我个人认为并不是太下风。一个客观上讲，日本本身没有敲定这个项目，而且日本即便真搞他们也只承担 50%。这个项目目前的变数不小，至少我理解。从物理的角度，ILC 只是一个直线加速器，它牛逼的地方在于直线加速器提高能量的话电子没有同步辐射损伤能量的问题。同时这也决定了它的不足也在于它永远是个正负电子对撞机，而没有升级成更高能量的 pp 对撞机的可能。作为再高能量的正负电子对撞机，它擅长的还是做 Higgs 的精确测量，而不是发现新物理模型中的新粒子。这个细节我暂时按下不表。从这一点而言，已经决定了 CEPC 这个项目在不升级到 250 GeV 能标上，基本上除了 Higgs 自耦合不能直接测量外其他的 Higgs 精确测量都能做。在 Higgs 的精确测量这点上，CEPC 相比 ILC 也有个优势，即它是环形。对于环形的加速器，原则上你脑洞大开一下给它按 20 个探测器都可以［该脑洞是王所长某次非正式场合开的我恰巧听到］，而直线加速器只可能安一个探测器。这意味着 CEPC 有可能在同样的运行时间内积累比 ILC 更多数据。此外，CEPC 做完后升级成 SppC 是完全可行的方案，详细的在王所长文有论述。下面给大家看个比较实际一点的四个探测器的图(图中用 IP1, IP2, IP3, IP4 表示)：

在我看来，CEPC 目前最大的竞争对手倒是 Fcc。CERN 对这样一套从环形正负电子对撞机怎么升级成 pp 对撞机有比我们成熟的多的经验。CEPC 这个项目，如若不在近 10 年内搞成，中国高能物理的前景可想而知。中国最多只会有一个 BEPC 的升级项目，比如 super tau-charm，来研究低能区间的一些 QCD，而完全失去了在 TeV 电弱能区直接进行实验探索的能力。中国至少到本世纪中叶，在最领先的基础研究方面还是处于跟在 CERN 这样西方把持话语权的后面搞点剩下的。

最后来点情怀的。CEPC/SppC 和在一起有个名字叫 Great Collider。我亲眼见到了这个起名的过程。2014 年初高能所的会议上，当时楼辛丑老师半开玩笑说他经历了当年 SSC 被砍掉的过程，他看到 SppC 里面第一个词也是 super 感觉不是很吉利的样子（原话不记得了）。David Gross [quiz: 请说出他得炸药奖的工作] 看会场上有个画着长城的展板，便接过话说你们中国已经有过了 Great Wall, 现在你们将会有 Great Collider。