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关于粒子对撞机必须了解的知识。。。
送交者: 漂泊1981[★品衔R5★] 于 2019-12-21 21:02 已读 1151 次 1 赞  

漂泊1981的个人频道

以下是关于本场争论相关的背景知识收集,已经注明出处和时间。 6park.com

关于建造粒子对撞机的成本考量: 6park.com

"IHEP 的物理学家正在设计世界上最大的粒子对撞机。Nature 认为,一旦建成,这个 100 公里长的设施将使得欧洲粒子物理实验室在瑞士日内瓦附近建成的 27 公里长的大型强子对撞机(LHC)相形见绌,不仅如此,前者的成本只有 LHC 一半左右。这个价值上百亿的圆形正负电子对撞机(Circular Electron–Positron
Collider,以下简称 CEPC)正是王贻芳的心血结晶。""根据王贻芳的文章,第一阶段的正负电子对撞机(CEPC)约在 2022-2030 年间,工程造价(不包括土地、“七通一平”等)约 400 亿元。如果第一阶段成功且有所发现,第二阶段的质子对撞机(SPPC)将启动,工程造价在 1000 亿元以内,时间是在 2040-2050 年左右。""但著名物理学家、1957 年诺贝尔物理学奖获得者杨振宁则提出了截然不同的看法,他估计,这个对撞机的造价可能需要 200 亿美元(约 1350 亿人民币)。"(新浪科技:https://tech.sina.com.cn/d/i/2018-11-24/doc-ihmutuec3270253.shtml) 6park.com

为什么建造成本如此高昂,及高能物理能给普通民众带来什么: 6park.com

它牵涉的专业领域大约有二、三十个门类:它需要世界上最高精度的机械、最高程度的真空、最好的电子、最快的自动控制系统。这些最后都会使得我们国家,或者说工业和硬科技的能力更上一层楼,真正做到国际领先,一个科学上领先的装置,它在技术上一定是领先的。所以,把这个装置造出来,就会使我们的技术走到国际最前沿。事实上,我们国内的加速器目前规模还比较小,现在还有一些技术空白,科学和技术都还没有达到世界最领先的程度。如果要做世界上最领先的加速器,那这些空白都会被填补,比如超导高频腔微波功率源、低温制冷、抗辐照集成电路芯片、超导磁铁等等。同时,大规模的建设也会使我们的企业不光能完成对我们自己的设备供应,还可以占领国际市场(果壳科技:https://www.guokr.com/article/451841) 6park.com

虽然SppC的命运将完全取决于未来二十年CEPC和升级后的LHC的物理产出,现在讨论SppC,仍然是在讨论一个没有基础的空中楼阁,但毋庸置疑,现在在哪里建造新的环形正负电子对撞机,哪里就更容易发展为未来世界对撞机物理的新中心。中国目前也已参与到了这个游戏中来了,无疑向外界展示了大国科技崛起的雄心。可是高能物理学的研究的投资这么贵,除了便于物理学家研究,能为普通人带来什么?关于这个问题,除了诞生于高能物理学研究的互联网,其实还有很多例子,比如,更安全的核医学诊断,甚至更方便的手机体验。很多核医学诊断仪器中都会用到光电倍增管作为诊疗信号的接收元件,高性能的光电倍增管能使患者减少治疗过程中所受的辐射,使核医学诊断更安全,而中国关于高性能光电倍增管的研制,则少不了高能物理学行业的贡献。之前曾有一条新闻报道称,2019年4月26日,中国科学家在四川稻城亚丁建设的高海拔宇宙线观测站(LHAASO)的科学观测正式启动。十年前,在LHAASO还处于早期预研时,初入高能物理行业的笔者就曾参与了早期光电倍增管测试系统的搭建。高性能光电倍增管,是现代高能物理学粒子鉴别系统中必不可少的重要元件,能够稳定检测到单光子信号。当年,笔者的老师曾说,这一个仅有十几厘米长的小元件,价格就高达几万块,除了LHAASO需要的数千个,江门中微子实验等高能物理学实验也需要大量的光电倍增管。为什么它可以卖得这么贵呢?除了其精密的设计之外,还因为,尽管全世界的高能物理学实验都对这个元件有需求,当时却只有一家日本公司有技术制造这样的高性能元件,所以日本可以垄断高性能光电倍增管的价格。也是在大约十年前,为了打破这种垄断,中科院高能所动了新型光电倍增管的研究计划。由中科院高能所牵头,北方夜视公司和多家科研单位共同成立了研究合作组,在前几年成功研制出了性能不亚于日本企业产品的高性能光电倍增管,并成功投产。在这之后,国际上高性能光电倍增管的价格一下子降了一大截。这不仅仅造福了中国和世界其他国家的高能物理学实验,还最终影响了核医学仪器的更新换代。可见,高能物理学实验仪器的生产技术最终可以实现产业转移,并应用在民生领域。类似的例子还有很多,比如我国自主研发的首台1.5特斯拉液氦零挥发核磁共振成像超导磁体,就是中科院高能所和企业为了北京正负电子对撞机实验(BEPC)的超导探测器研发的,而它经产业转移之后成为了影像医学中核磁共振成像系统中最为重要元件。再比如根据欧洲核子研究中心的记载,透明电容式触摸屏最初是欧洲核子研究中心的科学家为了SPS实验控制室的控制系统而发明的,现如今已成为每个人手机中必不可少的一部分。CEPC的建设不是投币即得的许愿机,而是无数组件从无到有,一件件开发,一件件组装出来的。这也就注定了在CEPC这样一个极其复杂的仪器建设过程中,一定有各种各样的难题亟待解决。切实需求是技术突破的重要动力,为了解决实验设计中遇到的问题,一定会顺带着有新的技术创新产生,最终也会外溢到民生领域,改善未来人类的生活。(上观:https://www.jfdaily.com/news/detail?id=165384) 6park.com

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即便从最狭窄的意义上讲,直接源于高能物理研究的新技术也已带动大批相关工业的发展,产生的经济效益远远超过在基础科学上的投资。加速器产业的总价值有几十亿美元,它是在粒子物理的研究中诞生的,现在从光源到用于癌症放射治疗的医用加速器,全世界有数以千计的小型加速器。由于质子对撞机需要强磁铁,这极大地带动了超导磁铁技术的发展,形成了几十亿美元的产业。同时,超导磁铁技术又是价值50亿美元的核磁共振成像产业的核心。更重要的是,推动前沿科学研究发展最强大的动力,来自于我们对了解与掌握自然规律的基本的好奇心。正是对自然规律的掌握,导致了一次又一次的技术革命,彻底改变了我们的生活。通常,这些技术上的进展可以被看做是派生的,并不与科学探索的核心问题直接相关。然而,这些进展又是在解决科学问题的过程中必然出现的。一个著名的例子是,如果没有量子力学,就不可能有现代的电子产业。我们可以说理解量子力学是当今世界2/3的GDP的基础。另外一个著名的例子是发明于欧洲核子中心的万维网,其起初的目的在于应对实验高能物理学家共享海量数据的挑战。为什么为科学而科学的研究会有如此辉煌的带动革命性技术发展的历史呢?这必然是因为大自然本身提出了比我们可以想象到的更深刻和更具有挑战性的问题。我们对理解自然的追求可以激发出空前的创造力,迫使我们提出更好更深刻的想法。(”格罗斯:若中国重复美国弃建错误,将是一场悲剧”,澎湃新闻: https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1533370) 6park.com

BEPC的建设中,有两个比较显著的应用成果。一个是国内首个大型超导磁铁,后来转移给公司。虽然没有挣到多少钱,但将国外进口磁共振成像(MRI)的价格拉低到原有的几分之一。另一个是成飞的高精机床,精度从200微米提高到20微米,对国防有重要价值。总而言之,大型对撞机相当于提供一个加速技术追赶的机会。因为有推动产业的价值,所以大科学工程并不是许多人理解的纯烧钱,实际的净投入远不像看起来那么大。 6park.com

作者:风云之声 https://xueqiu.com/4826147079/126506688 6park.com

为什么现在开始提出建造的申请然后引来世界的争论: 6park.com

“粒子物理发展到现在,最先进的加速器全世界只会建一个。  当一个国家有这台加速器的时候,别的国家不会建一个同等水平的,那样没有意义,要建只会建更大的”。 “在提出ILC的时候,希格斯玻色子还没有发现,它的主要目标是寻找新粒子。测出希格斯玻色子的质量是125GeV后,人们发现作为希格斯玻色子的研究工具,直线对撞机不如环形对撞机。于是2012年,中国提出了CEPC-SPPC的构想,CEPC就是环形正负电子对撞机。”“来打个比方,世界粒子物理的主要玩家是欧洲、美国、日本以及刚刚上桌的中国,其他几位大佬都亮了底牌以后,忽然发现情况有变,原本以为的大牌成了小牌,中国获得了一个按照最新情况做出最佳组合的机会。这可以算作一个意外的后发优势。哎,中国为什么是个刚刚上桌的玩家?因为以前没钱。20世纪80年代最著名的北京正负电子对撞机(BEPC)是中国第一台高能加速器,锻炼了一代高能物理人才,在τ-粲物理领域取得了不错的科学成果,但离前沿还有相当的距离。”(风云之声:https://xueqiu.com/4826147079/126506688) 6park.com

“韩涛:中国赶超世界绝好机遇:我1990年毕业时的博士论文题目就是:“大型对撞机中希格斯粒子的研究”。其后至今一直参与国际上高能物理的前沿研究,并经常参加国际上对未来高能物理的讨论。我完全同意王贻芳所长和丘成桐教授的见解,对杨振宁先生的评论不敢苟同。我认为中国参加并竞争来主导国际大科学项目,现在时机已经成熟,不应错失良机。1993年10月,美国国会宣布终止SSC计划。1994年12月,欧洲核子研究中心(CERN)正式批准了大型强子对撞机(LHC)的建造,此后高能物理研究的中心从美国移到欧洲。LHC于2012年发现了希格斯粒子,解释了基本粒子的质量起源这一个古老问题,把人类对自然界的探索深入到了约10-9纳米的尺度。LHC带动了日内瓦周边的科学教育事业、工业的发展(发明万维网、超导体应用、低温技术应用、快速电子学),甚至城市建设(地铁公交网)。LHC没有成为“无底洞”,倒是一个“聚宝盆”。反观SSC所在地得克萨斯州的爱丽丝乡,20年来没什么起色,已建成的22.5公里的地下隧道被抛弃在那里无人问津。克林顿总统在签署终止SSC文件时明确指出,这将是美国科学界的严重损失。今天,美国在高能物理的研究上,仍然提供了很大的投资,每年政府提供的研究经费约10亿美元,研究重点放在中微子实验和重味物理研究、暗物质及宇宙学的研究以及高能前沿的LHC,只是没有像大型对撞机那样的“旗舰”领头项目了。自从上世纪90年代北京正负电子对撞机运行以来,中国的实验高能物理研究从无到有,已经达到了举世瞻目的高度。有很多科研成果为国际所认可,并获得国际奖项。中国新一代的高能物理学家有知识、有勇气来承担大型国际项目,这是前所未有的。我相信,大型对撞机的第一步希格斯工厂以及下一步更高能区的大型强子对撞机是会建造的,中国不建,别国也会的,不是有人在“忽悠”中国。重要的是,我们只有一个时间不长的机会:美国还没有恢复状态;欧洲CERN 忙于全力运行LHC,十年内腾不出手准备下一代的大型对撞机。时间上看,这是中国的高能物理研究赶超世界的绝好机遇,机不可失,时不再来。中国抢先建造希格斯工厂,就会使我们成为国际研究中心,领导高能物理研究20年甚至更长。这种国际领先的状态,中国是从来没有过的!” 6park.com

韩涛:美国匹兹堡大学物理天文系教授,粒子物理-天体物理-宇宙学中心主任;美国物理学会会士;清华大学物理系千人讲席教授,长期从事高能物理理论和对撞机物理的研究,曾亲历美国SSC的兴衰。 6park.com

(澎湃新闻:https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1533370) 6park.com

主要反对建造者的理由: 6park.com

菲利普·安德森 (在反铁磁性、高温超导等领域有重大贡献,1977年获得诺贝尔物理学奖,是美国SSC项目最有影响力的反对者。本报记者抱着试试看的态度,邀请他对这场争论做个点评,没想到93岁的老人家很快就通过电子邮件做了简短回应)我已经认识、仰慕杨先生60年了,我同意他的意见。我认为,在许多年的踌躇后,我反对建设超大对撞机终究还是对的。我的直觉是粒子物理学家太执着于高能量对撞这个代价极大的单一研究方式,而忽略了其他重要的实验事实(比如暗能量、暗物质、丢失零点能量等问题)比追逐更高的能量还有意义。 6park.com

叶军:美国光学学会会士,美国物理学会会士,2011年当选为美国国家科学院士,成为极少数在改革开放后本科就读于中国大陆高校的美国国家科学院院士获得者。我个人认为,中国不应该建设能级超过大型强子对撞机的新型超大对撞机,至少现在不应该建。考虑到这样一个项目需要投入大量的时间、人力和费用,我们必须对社会给出一个非常有说服力的科学理由,才能做这件事。但我没有看到非建不可的理由。 6park.com

澎湃新闻:https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1533370 6park.com

最后,世界粒子对撞机发展历史及中国物理学界对粒子对撞机建造的相关态度: 6park.com

欧洲核子中心:欧洲拥有全球最大、能量最高的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC),其质子对撞能量为14TeV(万亿电子伏特),轨道长度27公里,有来自30多个国家的超过2000名物理学家参与。研究者所属的大学与实验室共同出资兴建这一耗资约80亿美元的“大家伙”。LHC所在的瑞士日内瓦与法国交界地区已发展为一座汇聚全球研究者的科学中心,有100多位中国研究者在那里工作。未来10年LHC将进行大规模升级,并运行至2035年,届时产生的对撞能量将是现在的数倍。 6park.com

日本:日本已经完成了下一代大型对撞机的初步工程设计,并得到美国能源部和CERN的支持。与欧洲不同,日本选择建设更加“经济实用”的直线对撞机。 6park.com

美国:美国超导超级加速器(SSC)建设项目在上世纪的“夭折”,是美国科学史上的伤心往事,不少高能物理研究人员提起此事都叹息连连。美国从大型对撞机竞争中“出局”,此后也未就开建新一代大型对撞机有新规划。 6park.com

中国:清华大学教授高原宁:建设超大对撞机是我国高能物理界的共识。高原宁8日接受科技日报记者采访时明确认为,在现阶段建设环形正负电子对撞机,深入研究希格斯粒子,是高能物理发展的必经阶段。 6park.com

32位在美物理学者联名:中国建造希格斯工厂的黄金机遇:中国高能物理研究正面临着一大机遇。北京正负电子对撞机从九十年代开始运行。从那时起,中国的实验高能物理从无到有、由弱变强,已经取得了举世瞩目的成绩。中国新一代的高能物理学家已有能力来承担大型的国际项目。中国不仅有基础、有人才来开展建设研究,同时国际合作也日益密切。希格斯工厂这个项目得到了众多国际顶尖的理论、实验物理学家的支持。纵观国际高能物理的环境,中国考虑建设大型对撞机的时机已经成熟。                           澎湃新闻:https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1528669
最后用一句科技袁人的话来结束,”凯恩斯建议过把钞票装在瓶子里埋到地下,让失业者挖出来,作为解决失业问题的一个办法。相形之下,为科学工程烧钱不是更有价值吗”

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