环形正负电子对撞机

中国计划建造的世界最大粒子对撞机

环形正负电子对撞机（CEPC），中国计划建造的世界最大粒子对撞机。

建设背景

希格斯粒子是粒子物理“标准模型”预言的解释物质质量起源的粒子。经过全世界物理学家近半个世纪的努力，2012年欧洲核子中心（CERN）宣布大型强子对撞机（LHC）上的实验发现了希格斯粒子。这项成果标志着“标准模型”的完成，也标志着新时代的开始。基础物理学因此面临着一个重要的转折和发展机遇。

对于中国的高能物理研究，乃至整个科技的发展，这是一个难得的重要机遇。在中国建设一个以超高能环形加速器为核心的世界级大型加速器基地，研究希格斯粒子及相关的科学问题，寻找超出“标准模型”的新物理，寻找未来发展的突破口。这一基地将采用国际化的方式运作、管理，吸引国内外上万名科学家与工程师参与，聚集一批高新技术企业，形成一个大型科学研究中心和国际科学城,最终发展为世界科学的中心之一。

基于加速器的粒子物理研究对基础物理学的发展、尖端技术的进步和社会经济的发展都带来深刻影响。对物质根本结构的研究引领了数百年来科学的发展。二战后，基于加速器的粒子物理研究则引领了对物质根本结构的研究。在过去六十多年里，美国、欧洲各国及日本等科技发达国家均投入巨资，不断建造各种大型加速器，使人类对物质结构的认识有了巨大的发展，并推动了交叉科学研究的发展。诺贝尔物理学奖方面30%与加速器直接相关，诺贝尔化学奖方面多个奖项也得益于加速器设施。加速器物理与技术本身也得到了飞速发展，并在医疗、工业、科研、安全检查等方面有了大量的应用。相关的探测器、机械、电子、微波、低温超导、计算机及网络等技术也得到巨大发展。例如欧洲核子中心为解决大型正负电子对撞机上海量高能物理数据的传输问题，发明了WWW网络技术，从根本上改变了人类生活。

建造高能量前沿实验装置是未来粒子物理研究的发展趋势。2012年7月，CERN宣布大型强子对撞机（LHC）上的实验发现了希格斯粒子。这是人类对物质世界认识的重要里程碑，它完成了对物质结构描述的标准理论，也预示着新时代的开始。科学家们开始讨论基础物理学将向何处发展？国际上出现了十几个基于加速器的高能量前沿实验装置。我国科学家于2012年9月提出建造下一代环形正负电子对撞机（CEPC）并适时改造为高能质子对撞机（SppC）的方案，在国际上引起巨大反响。CERN随后将此方向列为其粒子物理2013-2018年五年规划中的一部分，并于2014年2月启动了对未来环形对撞机的设计研究。国际未来加速器委员会（ICFA）已正式宣布将支持这样的研究并鼓励进行全球合作。

中国正面临引领世界科技发展的良机。作为正在崛起的大国,中国应该拥有世界顶级的大型科学研究中心并引领世界科技的发展。该项建设方案将使用和发展世界上最先进的加速器相关技术，如机械、电子、真空、射频微波、低温超导、辐射防护、计算机及网络等技术，可以大大推动相关领域的发展。超高能环形加速器的建设运行和相关研究需用国际化的方式运作、管理，将吸引国内外上万名科学家与工程师参加，形成一个国际化的大型科学研究中心。该研究中心还将聚集一批高新技术企业，进而形成国际科学城，并最终发展成为世界顶级的大型科学研究中心之一。该项建设方案的实现，将使中国的基础物理学研究在未来三十年中成为世界第一，并极大提升国家科技创新能力和国际竞争力等软实力，大大提高中国的国际地位。

这一机遇面临激烈的国际竞争，时间窗口不到十年。我们在高能物理领域的主要竞争对手包括日本和欧洲。日本忙于国际直线对撞机（ILC），暂时不会和我们竞争。欧洲核子中心（CERN）已开始组织对未来环形对撞机的设计研究，但它2030年之前将忙于LHC运行及其升级。因此，如果不能在2025年之前启动项目，中国将错失良机。以后何时再有这样的机会，恐怕谁也无法预料。我们希望能抓紧时间尽快启动设计和预研工作。

建设方案

选址。该项建设应当选择环境优美、旅游资源丰富、人文条件好、国际化基础好、地质条件好、交通方便、地方政府支持且有未来发展潜力的地区，以发展出国际科学城。

隧道建设。为建设周长达50 ～ 70 km 的环形对撞机，首先需要建造一条宽约7 m 的地下隧道，以节约用地并屏蔽辐射。隧道埋深大约在地下50 ～ 100 m 左右，以不影响地面建筑。为节约造价，减低建造风险，提高建设速度，一般要求地质条件为花岗岩。在中国建造这样的隧道没有技术难度，造价大概也是全世界最低的。

CEPC的关键技术和初步设计参数。首期正负电子对撞机（CEPC）的设备主要包含超导高频加速系统、普通常温磁铁、真空、电源、束侧等，大部分技术中国已经基本掌握，总体上没有大的技术困难。初步的设计参数如图《CEPC初步建设方案》所示：

SppC的关键技术和初步设计参数。二期质子对撞机（SppC）需要制造大量的超高场强超导磁铁，技术难度较大。但由于中国参加了ITER项目，超导导线方面还不是完全空白，高能所也有大型螺线管超导磁铁的基础。相信通过20 年左右的努力和国际合作的帮助，应该可以掌握。初步的设计参数如下：

进度计划如右表所示。

未来可发展为世界科学中心。在中国建设这样一台加速器，将引领国际高能物理及相关技术的发展，使中国确定无疑地全面领先国际，成为国际研究中心。这是近代以来国人梦寐以求的事，也可以成为中华民族全面复兴的标志。该建设与科学研究将需要国内外上万名科学家与工程师，用国际化的方式运作、管理，因此需要建设一个国际化的大型科学研究中心。依托该研究中心，还会有许多相关设备及服务企业，围绕该中心可以建设一个国际科学城，并发展成为一个世界科学中心。

建设进度

截至2024年8月，秦皇岛、长沙和湖州三个城市正在竞争CEPC的选址权，每个地点都有其独特的优势和挑战。

科学目标

环形正负电子对撞机（CEPC）主要科学目标：利用质心系能量250GeV附近的正负电子对撞产生大量的干净希格斯粒子事例从而精确测量其性质，确认该粒子是否标准模型希格斯玻色子，并通过它深入研究电弱对称性自发破缺机制和质量起源等基本问题，寻找超出标准模型的新物理的线索。

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