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标题: 杨学长科普强子对撞机 [打印本页]

作者: 佛宝16 时间: 2019-11-11 11:10
标题: 杨学长科普强子对撞机
本帖最后由佛宝16 于 2019-11-11 18:46 编辑

杨思奇：
   聊一聊中国建造大型强子对撞机的话题~
   中国是不是适合建造大型对撞机，这是一个复杂的、需要全方位论证的问题。对于社会公众，这是一个很好的科普机会。我一直说，与其强调每个人不成熟的观点，不如借此机会来让大家了解更多跟粒子物理和对撞物理相关的科普内容。对于大家来说，这是比较好的接受科学知识，了解科学思维的机会
   一：粒子物理和对撞物理
   这个讨论涉及到物理学的一个分类：粒子物理学。按照国际物理学会的方式，物理学可以分为十几个大类。粒子物理是其中一个大类。这个专业研究的是整个物理，乃至整个自然科学（传统自然科学是不包括数学的）中最基础、最前沿也是最古老的问题：物质最基本的组成结构和相互作用规律
   值得注意的是，人类对物质最基本组成机构和相互作用规律的认识是不断进步的，因此历史上负责研究这个最前沿领域的学科是一直在变化的。人们认识到分子结构之前，牛顿力学就是当时最深刻的相互作用规律认识。人们意识到分子和原子结构以后，化学是负责研究这个领域的最前沿学科。进入原子时代以后，原子物理与核物理是相应的学科。当人们意识到原子核内也有结构，甚至原子核内的结构还有结构的时候，也就是当代，负责研究这个最基础前沿课题的学科，叫做粒子物理
   在当代粒子物理研究中，有很多小的分支和研究手段。比如说宇宙线、反应堆、散裂源、散射实验、打靶实验等等。在这些小分支中，有一个叫做对撞物理。顾名思义，对撞物理是直接将粒子加速到很高能量并且对撞，研究撞碎之后的次级粒子，是目前前沿粒子物理里最重要的研究分支之一

   二：为什么要把粒子加速到很高能量然后对撞
   人类开始利用加速器进行粒子物理研究其实是很晚才开始的事情。为什么研究更前沿的基本物质结构一定非要把粒子加速到更高能量然后对撞呢？这源于二十世纪量子理论的一个重要结论：物理的空间尺度和能量是成反比的。现代量子理论基于大量实验发现，我们观测的物理对象事实上并非存在经典的空间位置概念。一个粒子或者一个物理对象的存在空间位置是不确定的一个范围，而非一个确定的点。能量越高，这个不确定的范围越小，能量越低，原则上这个不确定的范围越大。这个现象直到二十世纪以后才在实验上发现，是因为我们日常生活的环境是一个“能量并非那么低”的世界。按照这个反比例关系，我们物质的原子和分子本身所具有的那丁点能量，就能对应于10的负十次方（百皮米量级，也就是0.1纳米以内）的空间尺度，因此我们感觉不到这个空间分布的不确定
   当然，如果我们想要追求更小尺度，那从物理上来说就是要达到足够能量，否则能量在不够高的时候，根本就不存在“那么小的空间尺度”的概念，那就更不要说研究它了。于是人们慢慢开始寻求更高能量的粒子源。一开始人们利用非常简单的电磁场给粒子加速的手段来让粒子获得能量。但是这个能获得的能量很低。在相当长一段时间里，人类获得高能粒子的唯一途径是打到地球上的宇宙线。宇宙线能有很高能量是因为天文活动中往往能形成超强磁场（比如超新星爆发），从而给粒子加速
   人类第一个现代化的粒子加速器1952年出现在美国布鲁克海文国家实验室。当时人们终于拥有了可以人工产生高能粒子，不在依赖宇宙线进行研究了，因此这个加速器叫做cosmotron（宇宙线叫cosmis）。在此以后，几乎所有的基本粒子发现都是依赖于对撞物理。目前理论所预言的（或者说目前理论所需要的）全部基本粒子都被发现了。最后一个被确认的是2012年发现Higgs玻色子

   三：轻子对撞机和强子对撞机
   人类目前的高能粒子对撞机有两种模式，一个是轻子对撞，把电子和正电子加速然后对撞。人类历史上造出来的最高能量的正负电子对撞机是欧洲核子中心从1980年代到1990年代运行的大型正负电子对撞机（LEP），对撞总能量在100 GeV量级（将一个电子在1伏特电场中加速得到的能量是1 eV，GeV = 10的9次方 eV）。LEP虽然没能在当时发现Higgs（能量不够），但是却提供了到几天为止几乎所有重要的电弱相互作用的精细研究结果。正负电子对撞机最大的优点就是加速器设计相对简单，而且电子和正电子是目前认为没有内部结构的点粒子，因此对撞后几乎不产生任何无用的碎片，使得探测反应生成的次级粒子变得很容易，没有干扰。但是正负电子对撞机的缺点也非常明显：能量很难提高。电子是带电粒子，带电粒子在偏转运动的时候一定会辐射出光子。能量越高辐射越大，这就意味着加速给电子的能量，很大一部分都要辐射损失掉（除非我们造一个不需要偏转的超级超级超级长的直线加速器，这当然很难实现）
   另一个模式，是强子对撞机，把质子或者反质子加速。质子是组成原子核的结构之一。加速质子或者反质子，难度远远大于加速电子，对加速器的技术要求极高。但是优点非常明显：质子虽然也带电，但是质量比电子大了将近2000倍。质量越大越不容易辐射，因此质子加速不会那么轻易就因为辐射而损失能量，就更容易把能量加速到更高等级。人类最重要的高能强子加速器已经发展了两代。第一代是1980年代末，到2011年结束，在美国费米国家实验室的质子反质子对撞机Tevatron，最后可以把对装能量加速到1960 GeV。第二代就是目前正在欧洲核子中心，从2010年开始运行的大型强子对撞机LHC，目前可以把对撞能量加速到13000 GeV
   在Tevatron上，我们发现了目前理论所预言的最后一个基本费米子：顶夸克。在LHC上，我们发现了目前理论所预言的最后一个基本玻色子：Higgs

  四：高能对撞物理所需要的技术和中国的技术储存现状
   实现对撞物理其实并不光是加速器的问题。加速器提供高能粒子束流进行对撞，而对撞后，我们还需要大型探测系统来进行次级粒子探测。一般一个加速器实验上都会有多个实验进行对照研究。每当出现重大物理发现，都是多个独立的实验都有相同结论才能确认。比如说LEP上有四个独立实验（OPAL、L3、ALEPH、DELPHI），分别独立取数研究。Tevatron上有两个实验（CDF、D0）。LHC上有两个通用实验（ATLAS、CMS）和特殊实验（LHCb、ALICE）
   加速器技术，简单来说有两个重要的技术指标，一个是能够把粒子稳定加速到多高能量；还有一个是对撞亮度，也就是能够同时把多少粒子加速到这个能量、能够以多快的时间间隔进行束流加速。因为大家可以想象如果不考虑亮度，只是把单一粒子加速到高能量，这其实很容易。这两个目标要能够同时实现才可以。目前LHC上实现的是人类最高的加速器技术，能够做到每个束流包含10的14方个（一百万亿个）质子集中在几厘米小的空间内，加速到几乎光速运行，并且每两个束流之间只间隔25纳秒
   中国目前没有实现过高能质子加速对撞。中国目前最前沿的对撞物理是北京正负电子对撞机，把电子和正电子加速到1 GeV量级进行对撞。中国最好的加速技术目前能够提供的亮度也比最高技术低大概一到两个数量级（小十至百倍）
   加速器技术主要涉及到的是以下几个方面：超导、强磁场、精密机械加工、微波腔技术。当然，还需要经验丰厚的加速器理论和加速器物理做保障
   探测器方面主要有两个技术指标。一个，是各种粒子探测能够达到多高的精度。比如说，探测空间位置能有多大分辨能力、探测能量能有多大分辨，等等。还有一个指标是探测器可以以多快的速度响应。因为粒子束对撞，尤其是质子对撞的时候，每秒钟可以产生10亿量级的次级粒子，每两个粒子打入探测器的时间间隔是非常非常短的。探测器在响应了一个粒子以后，必须马上恢复到初始状态否则无法来得及响应下一个。同样的，分辨率和精度，与响应速度是矛盾的，要同时达到很高才可以。
   目前技术最好的探测器，比如说ATLAS，可以做到以10的10次方Hz频率，提供微米量级的空间位置测量，和比1%精度更高的能量测量
   探测器设计主要依赖于各种材料加工技术和半导体技术（影响测量的精度），和电子学读出设计技术（影响探测器响应速度和噪音大小）。中国在测量精度方面的技术比西方差不少。电子学技术比较先进
   综上所述，中国目前的高能对撞物理实验技术，理论上可以在一定帮助下实现1980年代LEP相当的水平。还不具备实现第一代高能强子对撞机Tevatron的能力

号码：粒子物理就是以前的高能物理吧？
杨思奇：
   对撞物理是高能物理的一个分支，高能物理是粒子物理的一个分支，粒子物理是现代物理学的一个大类
   好，以上是一些基本科普情况。知道这些，我们大致可以来聊聊近几年讨论的中国计划建造的大型对撞机了

    1. 中国计划建造的是什么样的对撞机
   目前高能所提出设计报告并且通过国际学术评审的计划，建造的是50公里加速环的环形正负电子对撞机，对撞设计能量250 GeV。关键字是电子对撞、250 GeV、环形加速器。这个基本上是以LEP的经验为蓝本，建造一个加大号的LEP

     2. 中国计划建造的这个对撞机希望达到什么样的学术目的？
250 GeV的环形电子加速器，所能够产生的物理过程是不可能出现任何超出现有模型的过程的。这个加速器的主要学术目标，是精细地研究2012年发现的Higgs玻色子的各种性质。LHC作为质子对撞机，虽然有利于直接发现新粒子，但是不利于精确研究其性质，基本上只能做到“看见有没有”，做不到“看清楚长什么样”。250 GeV环形电子加速器的目标就是“看清楚长什么样子”

   3. 中国目前计划建造的这个对撞机需要花多少钱？
   高能所已经提出设计报告，并且通过国际评审的预算情况是这样的：在未来二十年内，总投入50亿美元左右完成这个大型实验
   介绍这些以后，我们已经可以排除掉一半社会上广泛讨论的话题了，因为这些话题的出发点本身非事实，也没有讨论的意义和价值。比如说，这个计划并非是强子对撞机计划，而是轻子对撞机，因此关于中国是不是适合建造强子加速器是无意义的讨论；这个计划并非发现新物理，而是精确测量Higgs玻色子的各种性质，因此讨论多高能量是否能发现超对称等新物理是无意义的讨论；这个计划预算是二十年内50亿美元左右，因此讨论中国能不能掏得起200亿美金是无意义的讨论

咖啡：50亿美元肯定是不够的，这种项目多是“钓鱼项目”，还有未来20年的通货膨胀怎么算。但即使如此，我觉得国家还是要花这个钱，因为钱不花在这儿也不知道会被花在哪儿用掉了
杨思奇：
   50亿预算并非是拍脑袋想出来的，精细到每前进一公里隧道要花的钱、每一个半导体材料板要花的钱、人员费用，甚至冗余机动经费都是计算过的。这个计算也并非是设计者自己决定的，是经过全世界国际同行评审的。通过时间是去年秋天。我们应当以科学的态度来对待计划和设计报告，不应该随意怀疑设计结论（尤其是通过国际评审的结论），也不应该随意假设某种理想情况而忽略潜在问题
   另外，我们要弄清楚“计算失误而追加预算”，和“完成任务后进行进一步研究的追加预算”二者的区别。前者是属于，对于一个必须要完成的任务，一开始的预算算少了，要实现最初的目的，不加钱就完成不了了。而后者是属于，当前预算已经成功实现最初的任务目标了。在此之后，大家发现可以在此基础上进行进一步的研究，可以产生进一步的成果和作用，从而进行预算追加。相当于重新开始一个科研计划。世界上的大型对撞物理实验，大部分的预算追加都是属于后者，属于在新状态下发现有必要继续投入运行。比如说Tevatron最开始的运行，早在1995年就发现顶夸克，成功实现了。而2000年以后的升级，并非是补钱窟窿，而是继续投入开展新的物理目标的研究
   OK，在我继续之前，大家看看自己基于现在的基本信息，会做出什么样的判断来~

       接下来我们聊一聊真正重要的内容：什么叫做科学地看待问题？这是我们从这次讨论中能够吸取到的最大能量，而不是简单表达个自己的观点（因为我们自己观点没人在乎哈），从而提高自己的科学素养
   一方面，我们应当学会用事实来讨论问题。中国计划中的加速器实验，无论是实验形式、预算经费还是学术目标都已经清清楚楚存在了，而且是通过国际同行评审的。然而广泛的社会讨论依然是建立在完全跟事实不相符的事情上，而且讨论甚欢。这就不科学了。比如说很多人都在讨论到底加速器能不能发现新物理了，这没意义因为计划里根本就没有打算去直接寻找新物理；至于计划里的那个精确测量Higgs的学术目标有意义也罢没意义也罢，是完全另外一件事情，我们要是在这个上面讨论，那还有点用处。再比如说，既然已经说了预算是二十年内50亿美元，那么再去讨论不知哪里来的一个什么200亿美金开销，也就没有意义。至于50亿美元够用不够用，预算里面哪一条大家认为显然是不合理的，这个讨论起来才是有意义的
   二方面，讨论应当有理有据，不应该主观。还是刚才预算的那个例子。事实上任何一个学术计划在开始的时候，预算都是最关键的问题。到底某个步骤需要花多少钱，需要花多少时间，需要投入多少科学家（预算不光是财力），都有详细的计算理由。这些理由未必都合理，也未必都考虑周全，但是讨论反驳应当逐一进行，就事论事。否则就变成八卦了

号码：二十年的预算，还是要考虑得细些
      20年前开一公里隧道，估计也就1000万，现在1亿都不够
杨思奇：
   。。。开个隧道啥时候这么贵了开玩笑，就是打个洞放加速器又不是挖个直径多大的洞造公路。。
号码：复利太简单了，还要考虑通胀
杨思奇：
   大家真想看看预算是不是合理的话，可以去看高能所发布的设计报告

   三方面，有些东西，不能用一刀切的方式来看待。有的事情，一旦别人已经做过了，我们再做就是拾人牙慧，就是重复，并没有什么意义。但有的事情，别人做过也罢没做过也罢，都是今后实现更高目标的必经之路，是一定要亲自做一次的。比如说别人都在上大学了，不代表自己的孩子就可以跳过小学中学直接上大学去。有的学术领域，是不能跳过的经验积累过程。重点在于为未来的学术研究打基础，而非当前的这个学术目标本身
   四方面，这个计划不是钱的问题。大家考虑的往往是国家能不能拿出50个亿美元来，好像如果国家有50亿闲钱那搞就搞了，没这个闲钱就不应该搞。事实上，国家钱多也罢少也罢，从来都没有哪个国家富裕到有闲钱的地步。一个项目计划好不好，不是看前花的多还是少，要看钱花的值不值，能够产生什么样的效应和好处。离开了计划最终能够实现什么目标能够产生什么好处能够引起多长远的影响，单纯讨论钱多钱少，是没有任何意义的。我在网络上看的，绝大部分人都在分析（还都是明明有预算报告不看靠瞎猜的）所谓要花多少钱，从来没人去讨论到底会产生什么样的结果。我们分析值不值，第一要明确有什么结果，第二要明确花多少钱，才能判断。如果有什么结果是瞎蒙的，花多少钱算得再清楚，也没意义

作者: 津蝶 时间: 2019-11-11 11:36
完全看不懂，简直无比崇拜

作者: 佛宝16 时间: 2019-11-11 11:42

津蝶发表于 2019-11-11 11:36
完全看不懂，简直无比崇拜

看不懂没关系，单记些名词也可以忽悠别人了

作者: 津蝶 时间: 2019-11-11 11:44

佛宝16 发表于 2019-11-11 11:42
看不懂没关系，单记些名词也可以忽悠别人了

名词都记不住

作者: 佛宝16 时间: 2019-11-11 11:47

津蝶发表于 2019-11-11 11:44
名词都记不住

那更没关系，我们要以更热烈的目光看娃了

作者: 绿雨 时间: 2019-11-11 12:03
长篇，看不懂内容。膜拜

作者: 16杰杰 时间: 2019-11-11 13:58

俺也是看不懂呢，为勤快的宝宝点赞

作者: 16数+京-蓓 时间: 2019-11-11 15:37
在家长中科普，是不是对牛弹琴，哈哈

作者: 亦薇 时间: 2019-11-11 17:08
不需要看懂的，都是预想阶段。

作者: forseven 时间: 2019-11-11 17:30
这里有一个货币单位的错误。50亿造价应该是以美金作为估算的。不是50亿人民币。请修正一下，避免扩大错误概念（我看了我的聊天记录原文，原文就是错误的。并非up主的错误）。

作者: 佛宝16 时间: 2019-11-11 18:48

forseven 发表于 2019-11-11 17:30
这里有一个货币单位的错误。50亿造价应该是以美金作为估算的。不是50亿人民币。请修正一下，避免扩大错误概 ...

好嗒，修改了。

作者: 17地-苏.从从 时间: 2019-11-12 08:37
感觉我就是牛

作者: 九头鸟 时间: 2019-11-12 09:38
这个科普好，让我等平民百姓有个正确的思考方向，而不是人云也云的起哄、八卦。

作者: zcwks 时间: 2019-11-12 12:02
非常好、非常棒的科普！从中不仅了解到“对撞机”是否需要建？建什么级别的“对撞机”？这背后还隐含着精密检测探测配套仪器设备的研发设计及制造水平，只有条件具备了，目的明确了，探索未知的物理世界才会水到渠成！

作者: 闲庭漫步 时间: 2019-11-12 12:52
谢谢杨学长和佛宝的分享！

作者: 浮云游子 时间: 2019-11-12 16:57
谢谢宝宝用心整理，虽然看不懂

作者: 云帆 时间: 2019-11-13 09:10
基本上看不懂，估计下一步又是一个可以冲击诺奖的项目~

作者: 津蝶 时间: 2019-11-13 10:44
您的帖子已经被中科大家长论坛微信平台采用，谢谢！

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