探秘原子世界：中国计划建造全球最强大的“粒子碰碰车”

在科幻电影中，我们常常看到能够自由进出微观物质世界的未来科技。而现在，这样的科幻场景在中国正变为现实。在地下，一条100公里长的隧道中，一台巨大的“显微镜”或将诞生，它可以让我们窥探地球乃至宇宙最深处的秘密。

这就是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），它不仅将推动基础科学研究的进步，还可能彻底改变我们对宇宙的理解。

揭秘粒子对撞机：微观世界的“超级赛道”

粒子对撞机就像是微观世界的“超级赛道”。在这个精密的设备中，科学家们通过精巧而复杂的加速电场让微小的粒子以接近光速的速度运行，绕过长长的隧道，在特定位置相撞。

当两束高速粒子在预定的“观察点”相撞时，就像是在亚原子尺度上制造了一次微型的“宇宙大爆炸”。这种高能碰撞能让我们观察到平常隐藏的物理现象，其原因在于，根据爱因斯坦著名的质能方程E=mc²，我们可以得知，巨大的能量可以转化为物质。因此，在这些高能碰撞中，瞬间释放的巨大能量可以创造出我们日常世界中并不常见的种种现象，也让我们有机会得以窥探微观粒子的结构奥秘。

更令人兴奋的是，这种高能碰撞还能再现宇宙诞生瞬间的高能状态。通过模拟宇宙早期的高温高密度环境，我们可以更好地理解宇宙如何从一个奇点演化成我们今天所见的浩瀚星空。这就像是拥有了一台“宇宙时光机”，让我们有机会研究宇宙最初的模样。

这就是环形加速器被誉为现代物理学最重要的工具之一的原因。它不仅是探索微观世界的“超级显微镜”，还是研究宇宙起源的“时光机器”。

装备于大型强子对撞机（LHC）的紧凑μ子线圈（CMS）侦测器，右下方的梯子凸显出尺寸大小。

（图片来源：维基百科）

中国计划建造的这台粒子对撞机被称为“环形正负电子对撞机”（CEPC）。它的主要目标是研究希格斯玻色子，这种在2012年被发现的神秘粒子被形象地称为“上帝粒子”。就像一本神奇的魔法书中最核心的咒语，希格斯玻色子被认为能够赋予其他粒子质量。

通过深入研究它，科学家们希望能够解答一些宇宙中最基本的问题：为什么物质会有质量？宇宙是如何演化的？为什么宇宙中的物质比反物质多？

在标准模型中的费米子有六种是夸克（以紫色表示），有六种是轻子（以绿色表示），除了费米子以外，还有四种规范玻色子（以红色表示），以及希格斯玻色子（以黄色表示）。

（图片来源：维基百科）

CEPC就像是帮助我们解读这个核心咒语的工具。通过建造这台“超级显微镜”，中国科学家们正在为人类探索宇宙奥秘贡献重要力量，有望在基础物理学研究领域取得重大突破。

CEPC：科技创新的结晶

CEPC的设计堪称是一项工程奇迹，体现了多项尖端科技的融合。这个巨大的“赛道”由一个周长达100公里的地下隧道组成，相当于250个标准400米跑道首尾相连的长度。在这个庞大的设施中，粒子将被加速到接近光速，产生高能量的碰撞。CEPC的独特之处不仅在于其规模，更在于其效率和精确度。它每年可以产生数百万个希格斯玻色子，这将让科学家们能够以前所未有的精度测量这种神秘粒子的性质。

CEPC团队、国际顾问委员会和《CEPC概念设计报告》国际评审委员会部分成员合影

（图片来源：中国科学院高能物理研究所）

更令人兴奋的是，如果一切顺利，CEPC有望在2027年开工建设，用时约10年完工。这意味着它要比欧洲的未来环形对撞机（FCC）计划至少提前几年完成建设，中国很可能因此在这场科技竞赛中占得先机。

挑战与机遇并存：打造世界级科研平台

然而，将CEPC这个宏伟的计划变为现实并非易事。建造如此庞大精密的设备需要突破多项尖端技术，从超导磁铁到精密控制系统，每一个组件都要求极高的精度和稳定性。这就像是在组装一台超级精密的手表，每一个零件都不容有丝毫差错。

工程方面的挑战同样巨大。挖掘100公里长的地下隧道需要考虑复杂的地质条件和环境影响。目前，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。

尽管面临这些挑战，CEPC项目同时也带来了巨大的机遇。它将推动中国在多个高科技领域的发展，从超导技术到精密制造，都将受益匪浅。更重要的是，它将为中国培养一大批世界级的科学家和工程师，为未来的科技创新奠定坚实的人才基础。

展望未来，如果CEPC项目顺利实施，它将为人类打开认识宇宙的新窗口。CEPC项目无疑是一次大胆的科技冒险，但正是这种勇于探索未知的精神，推动着人类文明不断向前。无论结果如何，中国提出并推进这一宏伟计划的勇气，已经彰显了一个科技大国的雄心与担当。让我们共同期待这架由中国制造的巨大“显微镜”，帮助我们揭开宇宙的更多秘密！

参考文献：

1. Nature, China could start building worlds biggest particle collider in 2027
2. 王贻芳，建设大型加速器 实现科学梦

出品：科普中国

作者：郭菲（烟台大学）

监制：中国科普博览