美國超導超級對撞機項目始末

柳懷祖

自古以來，人類一代又一代努力探索著，我們人類和周圍的空間從哪兒來，周圍的一切物質又是由什么組成的。在古代，這些只是猜想、推測。隨著歐洲手工業(yè)的發(fā)展、技術的提高，以及生產力的發(fā)展，加上14世紀三四十年代歐洲大陸的一輪鼠疫也削弱了天主教勢力。人們的思想隨之得到了些解放，對美也廣泛追求。14世紀在歐洲興起“文藝復興”，其不但促進了藝術的繁榮，也促使了科學的啟蒙。16世紀末、17世紀初，顯微鏡和望遠鏡的相繼出現，使伽利略借此對微小生物和天體進行觀察。雖伽利略等近代科學先驅仍遭遇中世紀神權的迫害，但近代科學的大門從此開啟了。17世紀，牛頓力學三大定律的發(fā)現開始了近代科學的研究。18世紀中，蒸汽機的發(fā)明使生產力進一步得到發(fā)展，標志著人類從農耕社會進入了工業(yè)時代，也促進了社會和科學技術的進步。19世紀中以后，麥克斯韋電磁理論的發(fā)現，使人類很快進入了電的時代，生產力得到了更大的發(fā)展。

探索物質微觀世界的奧秘

隨著社會生產力的發(fā)展、近代科學的進步，人們對物質組成的探索也進一步深入。在近代科學實驗的基礎上，17到18世紀，人們已認識到不同物質是由不同的分子組成；19世紀又認識到了不同的分子則是由不同的原子（約100多種，直徑在10-10米量級）組成，即所有物質都是由原子組成。19世紀末之后，由于量子力學、相對論等一系列重大科學理論，以及原子核、質子、中子、電子、放射性等被發(fā)現。人們進一步了解到原子是由原子核（直徑在10-15—10-14米量級）及更微小的電子組成。1930年代發(fā)現中子后，人們深入了解到原子核由不同數量的質子和中子組成。1960年代初，隨著對宇宙線里的粒子的研究和在能量越來越高的粒子加速器上獲得的發(fā)現，人們又進一步了解到中子和質子內部存在更基礎的結構，也就是組成中子和質子更小的“基本”粒子，近代物理學家稱之為“夸克”。夸克具有多種種類和量子數。不同種類的夸克具有不同的質量和電荷。

研究物質深層次的微結構，必須借助更先進的技術和更精準的探測設備。首先需要把深層次的微觀粒子打碎，用于打碎它們的“炮彈”是高速的粒子流，而產生高速粒子流的裝置就是粒子加速器。這如同炮彈能量越大，其穿透的能力就越強，粒子加速器產生的帶電粒子（質子、電子等）束流能量越大，它就能穿透到物質更深的層次，從而讓我們觀測到其中的微觀結構。因此，粒子加速器成為物理學研究物質微觀結構最重要的工具。

粒子加速器中有一真空管道，其中有兩束比頭發(fā)絲細、近光速的帶電束流，它們被加速后，在超高真空環(huán)境下特定探測點進行對撞，可以將帶電束流的能量從10⁶電子伏（兆電子伏）量級發(fā)展到10⁹電子伏（吉電子伏）量級以上。但由于粒子加速器能量的可調節(jié)范圍很小，因而研究不同粒子時，需要用不同能量不同帶電束流的加速器，每臺加速器都具有特定的研究對象和目的。北京正負電子對撞機（The Beijing Electron P o s i t r o n C o l l i d e r， B E P C）是專為研究τ-粲物理設計建造的。截至20世紀末，全世界各種類型大大小小的粒子加速器已超過2500臺，用于研究不同粒子的各種特性。

1960年代后，理論物理學家提出了一套描述強力、弱力和電磁力三種基本力，以及組成所有物質的基本粒子理論的“標準模型”，并不斷修正和擴展。其理論基礎來自量子力學及狹義相對論的完美結合。幾乎有關實驗結果都合乎這套理論的預測。該模型預測有17種基本粒子的存在，包括W玻色子、Z玻色子、希格斯玻色子等，至今已全部被實驗發(fā)現。而且它們的性質及理論計算與實驗結果吻合得非常好，特別是希格斯玻色子。標準模型建立前，物理學家無法解釋物質質量的來源。英國理論物理學家希格斯（P. Higgs）引入了希格斯玻色子的概念，認為希格斯玻色子在空間形成希格斯場，使得標準模型中的一部分對稱性自發(fā)破缺，其他的基本粒子在希格斯場中運動，獲得質量。而且，通過希格斯機制建立標準模型，是實現電磁力和弱力統(tǒng)一的關鍵。因此，對希格斯玻色子的深入研究，成為當今探索物質微觀世界的關鍵。下一步，物理學家試圖把標準模型和廣義相對論結合起來，以實現理論物理學大統(tǒng)一的思想。

超導超級對撞機

二戰(zhàn)結束前夕，美國總統(tǒng)羅斯福（F. Roosevelt）認識到要保持美國的世界領先地位，必須確保美國科研水平的領先地位，而且要領先幾代。因為任何新工業(yè)、新技術、新發(fā)明、新工藝、新產品，都必然來自科學原理及規(guī)律的發(fā)現，而科學原理和規(guī)律的發(fā)現必然來自基礎科學領域里持久不懈的艱苦努力。如果一個國家的基礎科學知識依賴于他國，那么這個國家的科學技術及產業(yè)競爭力必然是非常弱的。因此只有基礎科學研究引領世界，技術和產業(yè)才能引領世界。二戰(zhàn)后歷任美國總統(tǒng)都遵循了這個方針。

1980年代，希格斯玻色子尚未被找到，尋找和研究希格爾斯玻色子是極有意義的基礎科學研究。為維持美國在物理基礎研究領域的領先地位，美國于1983年在總統(tǒng)里根（R. Reagan）的支持下開始了超導超級對撞機（Super Conducting Super Collider， SSC）的可行性研究。計劃在該對撞機環(huán)周長87千米、零下數百攝氏度低溫的封閉超真空管道內，將兩束加速到接近光速、能量分別達20太電子伏（1太電子伏=10¹²電子伏）的質子，在特定點進行對撞。高能粒子撞擊后，會產生大量粒子。其中一部分是新粒子，根據這些新粒子的運行軌跡（徑跡）、能量、速度、質量等參數，利用巨型閃爍探測器和電磁量能器，在極短時間內進行測量、記錄、分析、研究，尋找和研究新的粒子，特別是希格斯玻色子。同時，雖然標準模型具有高度的對稱性，但希格斯機制下的真空使得部分對稱性破缺。使極高能量的粒子在真空中對撞，有望造成極高密度的“激發(fā)真空”狀態(tài)，恢復標準模型原有的對稱性，從而能夠模擬并研究宇宙“大爆炸”后瞬間的狀態(tài)。

1989年1月，美國政府決定在得克薩斯州的達拉斯開始正式建造超導超級對撞機實驗室（Super Conducting Super Collider Lab， SSCL），計劃1999年建成，預算為110億到150億美元。這一前沿基礎科學研究中的特大項目歷經里根、布什（G. Bush）和克林頓（W. Clinton）三任總統(tǒng)的支持。在美國主導下，蘇聯、日本、印度、韓國、德國和中國等國也不同程度地參與到這個項目中，中國科學院高能物理所參與了其可行性研究及一些部件的設計和預制研究。到1989年為止，SSCL已與全世界715個研究所和工業(yè)企業(yè)簽訂了18 000項合同，超過1000位科技工作者參與了這項工程，美國國內的單位也涉及46個州。1993年產生了8000個崗位，1994年已達9000個崗位。其應用和研發(fā)的新技術已開始或將對醫(yī)療診斷、癌癥治療、高速列車、磁槳船、超級計算機、新一代測量技術、低損耗電的傳輸、儲能系統(tǒng)等新技術的研發(fā)起到推動作用。就如同歷史上每一次重大基礎科學研究的突破，對人類認識物質結構和規(guī)律產生巨大的推動作用，伴隨而來的是新技術帶來的生產力發(fā)展。

1830年代，人們研究電和磁時，也不知道它們的用途，但麥克斯韋證明它們是現在稱作電磁現象的同一種相互作用的兩個方面，可以用一組方程式加以描述，電和磁很快成為社會文明的基礎。1930年代人們了解到原子核是由質子和中子組成時，亦不知其用途，但十幾年后即進入“既造福、亦為禍”的原子能時代。20世紀后期，由于高能物理實驗產生大量信息數據傳輸的需要，而發(fā)明創(chuàng)造出的網絡已成今天人類每日不可少的工具。多年來，很多獲諾貝爾物理學獎的獎項成果也都與粒子加速器有關。

歐洲原子核研究組織（European Organization for Nuclear Research， CERN）的研究表明，在對撞機研究上每投入1美元，將會對社會產生3美元的經濟效益。

中國參加超導超級對撞機建設

1988年10月，我國BEPC建成后，其建造速度之快、質量之好、價格之低、部件研發(fā)制造能力之強，令美國和世界其他國家的很多科學家折服。它已成為τ-粲物理能區(qū)性能國際領先的粒子加速器。世界上另外幾臺τ-粲物理能區(qū)粒子加速器相繼關閉，進行相關領域研究的科學家都將研究工作轉到BEPC上進行。在李政道教授的推動下，在中美科學家廣泛交換意見，特別是經中美高能物理聯合委員會認真討論后，SSC項目被列入合作內容。1993年初，中國正式參加美國SSC項目的國際合作，并將涉及的各種中國產品作為投資。

中國參與這個重大科學研究項目，一是為了通過與各國一起探索物質微觀世界奧秘的過程，直接參與世界最前沿的科學研究，爭取在高科技領域占有一席之地；同時也可促進我國科研和工藝技術水平的提高。為便于對此事的領導和協(xié)調，1993年初中央決定沿用之前建造BEPC時成立領導小組的組織形式，成立了國務院超級對撞機國際領導小組，由時任國務院副總理朱镕基任組長，國務委員兼國家科委主任宋健任副組長，成員有國務院副秘書長徐志堅、國家計委副主任甘子玉、國務院經貿辦副主任張壽、航空航天部部長林宗棠、中國科學院院長周光召等。林宗棠兼領導小組辦公室主任，主持日常工作。我任副主任，協(xié)助林宗棠處理日常事務。為方便對外技術交流和商務活動，領導小組辦公室同時以中國加速器研發(fā)中心的名義對外活動，一套人馬，兩塊牌子。林宗棠亦為這個“中心”主任，我為副主任。同時，專門從航空航天部調來精兵強將，如上海飛機廠副廠長張士元、高工王達先，西安發(fā)動機廠高工應家驪，飛行研究所楊龍，還有航空航天部國際合作司楊春澍司長，航空航天部機電產品出口辦負責人劉恒君等同志，加入該項目領導小組辦公室的工作。中國科學院高能物理所的葉銘漢、方守賢院士，鄭志鵬、趙維勤研究員也在一些物理和加速器專業(yè)上給予指導。領導小組辦公室設在航空航天部旁的友好賓館，負責與SSCL總部的溝通聯系和對國內各參與單位的協(xié)調，并隨時用簡報形式向領導小組成員、各有關部委和參加單位報送發(fā)《超級對撞機簡報》，通報合作項目的進展及其問題。

領導小組辦公室處理大量具體合作項目的技術和商務問題，協(xié)調并具體組織落實我方各單位的研制工作。同時，還與SSCL總部商討新的可能的合作研究和研制生產制造項目，雙方合作十分熱絡、友好。我國參加此項目的有關研究及生產單位，都是各部委所屬的研究院、研究所和大型企業(yè)，有22家以上，而且其中大多參加過BEPC的研制和生產，對于對撞機設備和部件的研制有豐富的經驗：從大型磁鐵支架到光電倍增管、陰極板、閃爍計數器、開關電容陣列、模數變換器、電器功能塊等的材料研發(fā)到設備、部件的設計研制無所不包。

林宗棠還陪同李政道教授等美方代表赴西安等地的工廠、研究單位實地考察，了解設備和部件情況。周光召、甘子玉等多次會見美國能源部和SSCL領導人，聽取和討論合作中的問題。SSCL總部美方人員也多次來華，參加該項目合作研究所、工廠現場的具體研究和討論，對我方單位強大的研究和技術實力、設備及部件的研發(fā)和生產能力，大為贊賞。林宗棠還親自參與主持了磁鐵支架的設計，提出用焊接支架取代原美方設計的鑄造支架，并做了應力、應變分析測試，僅此一項就節(jié)省了上萬噸不銹鋼，受到美方的高度贊揚。林宗棠還親自前往達拉斯，與SSCL總部人員討論合作中的具體問題。

超導超級對撞機項目的終結

正當國際高能物理學界準備大干一場的時候，不料，1993年夏天，美國國會眾議院通過了“終止超導超級對撞機項目，以減少赤字預算”的提案。在總統(tǒng)克林頓和能源部部長奧利里（H.OLeary）的干預下，10月14日參議院否決了眾議院的提案決定，繼續(xù)支持該項目，并建議1994年為該項目撥款6.4億美元。盡管當時美國已為此項目投入了20億美元，具有了相當的規(guī)模。但眾議院還是再次否決了撥款議案，并通過了停建SSC項目的修正案，最終，在1993年10月21日，參眾兩院達成一致，停止SSC項目。由于存在巨大預算赤字，美國國會裁減政府費用的壓力空前巨大，SSC最終成為美國國會消除預算赤字的犧牲品。顯然，這樣的結果不僅是因為美國國會需要減少赤字預算所致，更是因為議員們不了解基礎科學研究對科學發(fā)展的重要性，以及基礎研究對美國國際地位的重要性所致。美國能源部部長奧利里在國會作出決定后立即聲明，她對國會停止對世界上最重要的高科技國際合作項目SSC撥款一事表示深深的遺憾；她認為這一項目的取消會使科學研究工作受到損害，也將對美國世界科技的領導地位產生不利影響，能源部將與科學家們一起探求該項目下馬后繼續(xù)在高能物理領域做研究的其他方法；她還向參與和支持合作的所有國家和參加者表示真誠的感謝。國際上，一些科學家也對美國國會的這一決定十分憤怒，深表憂慮和不安。李政道教授稱，國會表決通過停止SSC項目的1993年10月21日是美國科學界一個“黑色的日子”。日本科學界的反應也十分強烈，日本原計劃出資10億美元，但沒想到發(fā)生這樣意外的事。我國科學家則認為，美國國會此舉將會嚴重影響全世界高能物理研究工作及人類對物質微觀世界的探索。

1994年1月31日，SSCL主任在給我方代表的信中，對中方的參與給予了高度評價，他說：“我本人希望強調，中方對此合作態(tài)度積極、熱情支持，并顯示了良好的技術水平”。我代表中方在給他的回信中表示了中方對終止該項目的遺憾，并表示中方愿和美國朋友為今后可能的合作而努力。

SSC下馬后，美國國會同意撥付6400萬美元用于美方對此項目的善后處理。SSCL幾次派代表團來華商討有關收尾工作，還訪問了北京、上海、西安等地的有關單位，我方提供了各合作項目的具體情況和發(fā)生費用清單。美方提供了補償費用，我方各參與單位都得到了相應的補償。

同時，美國加大了對已有幾個美國高能物理有關的國家實驗室的投資，并加強了與CERN的合作，以確保美國在高能物理研究領域的領先地位。

有意思的是，在1993年美國國會審查給SSC撥款的聽證會上，一位議員問道：“我們有這臺機器能找到什么？”答曰：“希格斯玻色子?！甭犠C會上的議員們幾乎無人懂得什么是“希格斯玻色子”。提問議員驚叫：“??！花100多億美元難道就是為了找一個粒子？”因有物理學家戲稱希格斯玻色子為“上帝粒子”，另一位議員接著問：“這臺機器能讓我們找到上帝嗎？”還有一位議員馬上說：“如果它能找到上帝，那我再回過頭來支持（撥款）?！边@聽起來似乎科學家是在對牛彈琴，顯示出美國國會議員們是那么無知。但實際上全世界又有多少人，多少議員和領導人知道尋找這個所謂“上帝粒子”對人類的意義呢？

2012年7月，希格斯玻色子終于成功地在由CERN于1994年立項、2008年建成的大型強子對撞機（LHC）上被找到，這成為人類認識物質結構歷史上重大的里程碑式突破。建造這個周長27千米、能量為2×7太電子伏的LHC，花費了百億美元。包括中國在內的全世界80多個國家近7000名科技人員參加了這項突破性的研制和實驗工作，為發(fā)現希格斯子做出了貢獻。

2019年升級改造后的LHC是目前世界上最大的粒子加速器，其亮度比初建時提高了5到10倍，對希格斯玻色子有了進一步了解。目前，中國仍有幾十位高能物理學家在這臺加速器上參與研究。

探索物質結構、宇宙起源等科學基本問題是全人類共同關注的問題，像SSC這種用于探索物質微世界和宇宙起源的超大型研究裝置，應當集中人類智慧的精英，走國際合作的道路，讓更多國家、更多科學家參與。早在1950年代中期，當時同屬社會主義陣營的各國就共同出資在莫斯科郊外的杜布納建立聯合核子研究所，同時，西歐各國及美國在法瑞邊境共建CERN。其實這些就是國際合作進行物質微觀世界研究的雛形，只因冷戰(zhàn)時期意識形態(tài)不同，而分成兩攤。隨著冷戰(zhàn)結束，才出現以美國為主導、世界各國共建SSC的合作局面，但不幸因美國國會的決定而夭折。

中國的超級環(huán)形對撞機計劃

隨著我國改革開放后，經濟和科技實力的增強。特別是BEPC的成功建造，以及在BEPC上取得了τ-粲物理研究上的成就。我國也涌現了一批優(yōu)秀的加速器專家和實驗物理學家，與國際高能物理學界也有了十分廣泛密切的溝通交流合作。BEPC的建造過程也使中國工業(yè)界獲得了加速器設備制造方面的經驗，有些產品已向國外出口，所以完全能承擔新的粒子加速器大部分設備的制造。2012年我國一些高能物理科學家提出建議，未來以中國為主導，投資360多億人民幣建造周長100多千米、能量為2×125 吉電子伏的超級環(huán)形正負電子對撞機（CEPC），深入研究希格斯玻色子等相關的基礎科學問題。當時計劃在2027年建成。該計劃得到國內外很多高能物理學家和國際未來加速器委員會（ICFA）的贊同和支持，并已開始進行概念設計和預研，設想2030年開始進行升級改造的準備，2040年建成2×375太電子伏的質子—質子對撞機（SPPC）。

如此投入巨大的涉及幾代人的科學大工程的決策當然應該十分慎重。務必對其科學目的、目標進行充分的反復的論證，尤其要重視不同的意見，還需考慮國際環(huán)境等因素。當然，如果該計劃能順利實現，無疑會極大地提高我國的科研和技術水平，使我國在此基礎科學領域處于領先地位，也將大大提高我國的國際地位。還有，中國主導建造CEPC和SPPC，也必然需要與世界各國的共同合作。

（本文作者為中國高等科學技術中心原秘書長）

關鍵詞：粒子加速器 超導超級對撞機 北京正負電子對撞機大型強子對撞機 超級環(huán)形對撞機計劃 ■