宇宙新视窗：探秘中国下一代超级对撞机

大家 · 科技前沿

MASTERS

在探索自然的征程上，中国科学家正全力推进一项重大计划：环形正负电子对撞机（CEPC）。这座将长达100公里的地下环形装置，旨在以前所未有的精度研究希格斯玻色子和其他基本粒子。

作为“希格斯工厂”，CEPC要在洁净实验环境下产生数以百万计希格斯玻色子，帮助科学家探究粒子的物质起源，检验宇宙稳定性，发现新粒子、新相互作用力以及新规律。新的发现或将重新定义物理学标准模型，为更多诺贝尔奖级别的新突破指引方向。

CEPC不仅是强大的科学重器，更代表科研方法的革命。它将利用人工智能管理与解读空前复杂的数据，使人类的推理认知与科学发现同步拓展。由中国科学院高能物理研究所研发的“赛博士”等AI系统，会与科学家协同工作，实时地规划、分析和验证实验。

可以说，CEPC象征着科学的全球合作与人类的好奇心，汇聚了技术、数据和智慧，它能洞察宇宙奥秘的深处，也将照亮未来知识的前沿。

阮曼奇

中国科学院高能物理研究所研究员，主导完成CEPC概念设计报告中的基准探测器设计，协调CEPC上的科学及设计工作

布鲁斯·梅拉多(Bruce Mellado)

非洲科学院与南非科学院双院院士，曾在美国、南非及中国(高能物理研究所)担任教职

陈缮真

中国科学院高能物理研究所青年研究员，大型强子对撞机底夸克实验和CEPC研究团队成员，主导CEPC上重味物理研究

观察宇宙的新视窗

人类永远在仰望星空，追寻万物起源——这关乎到星辰、自然之力乃至我们自己。粒子物理学致力于探索和理解物质最小构成单元以及宇宙间的基本运行规律等永恒的问题。

过去一个世纪，被称为粒子对撞机的大型科学仪器成了我们观察大自然的超级显微镜。通过让粒子高速碰撞，对撞机揭示物质最隐秘的结构。其中人类现有最强大的对撞机，也就是来自欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC)，找到了希格斯玻色子，贡献了现代科学最伟大的发现之一。

它可以解释基本粒子为何具有质量，是标准模型中的质量之源，同时也和许多关键未解之谜（物质起源、暗物质本质、宇宙稳定性等）息息相关。该发现于2012年公布，紧接着就荣获2013年诺贝尔物理学奖。经测定，希格斯玻色子质量约为125吉电子伏特（1吉电子伏特 = 10亿电子伏特‌），相当于构成原子核的质子质量的约130倍。

尽管粒子物理已取得令人瞩目的巨大成就，但摆在人类面前，有关物质、时空、宇宙的未解之谜仍有很多。

我们仍不知暗物质为何物，这种不可见的物质维系着星系稳定，却无法直接观测。

我们也无法理解暗能量，这种神秘力量似乎驱使着宇宙加速膨胀。

宇宙几乎完全由物质构成，物理定律却预测宇宙大爆炸后应产生等量的物质与反物质，这种可能由所谓“CP破坏”导致的物质-反物质不对称现象，至今仍是科学界最关键的一大未解之谜。

另一谜题则涉及中微子，幽灵般的它们每秒钟都在数以亿亿计地穿过我们身体。实验表明中微子具有微小但非零的质量，标准模型目前无法解释此现象。

让我们兴奋的是，全球多项实验已观测到许多全新物理现象的线索，数据中有引人遐想的异常信号。尤其值得关注的是与希格斯玻色子特性相似、在质量约为95吉电子伏特和152吉电子伏特处出现的信号。环形正负电子对撞机，未来将深入追踪新现象、挖掘新线索，验证它们是否指向更深层的物理事实和规律。

对于力求揭开未解之谜的科学家来说，CEPC是他们急需的新一代精密工具，一双观察宇宙的新眼睛。它将在洁净可控的环境中，使电子和正电子（电子的反粒子、也是一种反物质）发生对撞。由此，物理学者能以更高精度研究希格斯玻色子等已知粒子，并发现新规律。人类不会停下探索大自然的脚步，而CEPC有望开启新篇章，也值得我们期待下一个非凡发现。

为实现其宏伟目标，CEPC不仅需要建造强大的实验装置，更必须推动科研范式的变革。这台对撞机有望开创人类-AI智能融合（简称“智能融合”）的新时代：AI与科学家合作，共同驾驭海量复杂数据。将人类洞见深度融合机器推理，那将是科研方法的革命性飞跃，意味着我们会以前所未有的速度和精度实现从数据到科学发现的转化。

宏伟愿景

根据规划，CEPC周长100公里，将以极高能量实现电子束与正电子束的对撞。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机揭示了希格斯粒子的存在，CEPC的使命则是深入解析其本质。

CEPC将作为希格斯粒子工厂运行，在极为洁净的实验环境中产生数百万希格斯玻色子。每一次碰撞都会打开一扇窗，让我们窥探物质获得质量的奇妙机制。通过精确测量，CEPC的探索范围远超LHC等已有对撞机（呈量级提升）。观测值与理论预测间的细微差异，可能预示新规律的存在，为基本物理探索提供关键线索，为重大发现提供决定性证据。除希格斯玻色子外，CEPC还将专门研究Z玻色子、W玻色子和顶夸克，在电弱相互作用领域开拓精密测量边界，为基于高精度测量的物理发现树立新标杆。

除了开拓高精度的边界，CEPC也将带来能创造大量新发现的机遇。大型强子对撞机带来了不少诱人线索：或许，希格斯粒子并非独行者，在电弱能标附近，有更多的类希格斯粒子存在，每一种都可揭示对称性破缺的新维度。CEPC空前的亮度和探测精度，将使科学家能系统搜寻已知希格斯玻色子的“伙伴”、新的标量态、扩展希格斯场，乃至连接可见世界与暗物质世界的桥梁。CEPC有望带来的新发现将重塑标准模型，开启粒子物理学新篇章。

CEPC剖面示意图，展示其长达100公里的地下环形隧道，以及连接地面实验建筑的竖井

CEPC也象征开放与合作。建成后，CEPC将成为粒子物理实验研究的旗舰，将吸引全世界科研人员与工程师协同创新。CEPC将融合超导技术、低温工程、微电子、计算科学及材料科学等领域的尖端成果，新技术又可反哺工业、医疗和环境方面的创新。此外，它将作为人才培育基地，帮助参与者成长为具备跨学科视野的国际人才，同时也传承科学界永恒追求的精神——探索未知，追求极限。

北京正负电子对撞机（BEPC）曾在τ-粲能区取得惊艳世界的研究成果，站在前辈肩膀上的CEPC，则瞄准了更高的能级、更基础的对象和问题。从BEPC到CEPC，是传承，也是变革，是面向宇宙隐秘结构的大步前进，更代表了全人类共同的探求——宇宙万象如何起源。

对撞机的运作方式

CEPC被安装在地下的隧道环内，周长百公里的环状结构内蕴藏工程学杰作：加速器、磁体、探测器和计算系统等各子系统协同运行，以精妙方式共同构成庞大科研仪器。

在CEPC中，对撞粒子的旅程始于直线加速器。直线加速器产生电子与正电子束流，并将其加速至接近光速。随后粒子被传输至增强器，后者将粒子能量提升到对撞所需的满能量状态后，注入两个储存环，一个承载电子、一个承载正电子，两者在同一隧道内反向运行。

环形轨道上的束流因为同步辐射会持续损失能量，储存环上的射频站则通过为束流补充能量来维持这一平衡。通过强有力的磁铁系统和高精度的束流控制技术，CEPC将束流约束在精确的轨道上、进行有效的对撞。CEPC安装有高精度的监控和诊断系统，保障对撞机的安全高效运行。

探测器是CEPC的核心，正反粒子束在此相遇。探测器采用类似洋葱的多层结构，由多个子系统构成，能准确记录每次对撞事例，解析所有可见末态粒子的能量、动量以及类型等信息。内部径迹系统以微米级精度描绘带电粒子运动轨迹；量能器测量粒子穿透致密材料时沉积的能量；强大磁体使粒子路径发生偏转，帮助科学家重建粒子的动量。每一次对撞，都是一张关于自然界基本相互作用的快照，一扇通往宇宙本质的视窗。

CEPC每秒大约对撞上千万次，须依托连接全球科研中心的分布式计算网络来处理海量实验数据。人工智能将在此发挥关键作用，实时筛选、分类与分析海量数据。从加速器、探测器到基于网络和人工智能的数据处理系统，CEPC不是一个孤立的科研设施，而是一个整体性的、面向重大发现的科研生态系统。

CEPC在地表之下的环形隧道勾勒出近乎完美的几何圆形。竖井连接着隧道与地面设施，包括各个实验室、控制中心以及低温设备——温度低于外太空，负责冷却超导系统。地面之上将建成全新科研园区，作为汇集全球工程师、数据科学家与物理学家的合作创新枢纽。CEPC是精度、规模与想象力的完美融合。

新兴的智能融合模式：通过领域特定语言（DSL）实现的人机协同，在保持透明度与人类监督的前提下，实现传统分析流程的自动化。研究人员无须逐行编码，而是用自然或半形式化语言表述目标；AI智能体解读、规划并执行工作流，人类则是决策者，审核可视化结果，确保其可解释性。领域特定语言成为连接人类意图与机器执行的桥梁

智能融合的科学革命

从望远镜到对撞机，从显微镜到超级计算机，科学发展总是依赖于工具的进步。如今，这些工具的巨大成功也带来了前所未有的挑战：各学科领域正以超越人类理解能力的规模持续产生数据。无论是物理学、天文学抑或生物学领域的科学家都已开始触及“复杂度上限”，数据规模之巨、种类之繁、速度之快，远非传统分析方法力所能及。

变革已至，粒子物理学则正处变革中心。2012年希格斯玻色子的发现，既是实验巧思之功，也仰仗数据分析。而以中国筹建的CEPC为代表的下一代对撞机，其产出数据的规模和复杂度都可谓空前——数亿亿次对撞事件，每一次碰撞都饱含微妙的模式、关联和可能性。要从信息汪洋里提炼真知，不能只靠人工编码、顺序进行的传统数据处理模式了，我们需要一种全新的科学智能。

CEPC的研究人员希望将AI深度融入科研流程核心以迎接全新挑战。其理念并非取代科学家，而是赋能，是给人类的思维加速度，以紧跟数据复杂度扩张的节奏。在新范式下，科学发现是人类洞见与机器智能融合的结晶。基于大语言模型与推理框架构建的智能软件代理，将协助物理学家开展分析规划、假设验证和计算任务。科学家设定目标与逻辑，AI负责解读并执行方案，记录每个步骤以确保透明度和可追溯性。

过去一个多世纪里，实验物理学的进步仰赖日益复杂的流程、不计其数的代码、定制软件工具以及海量数据专家。而人机协同的新范式将使这种线性化、劳动密集型的模式成为过去式，允许科学家先用清晰、半形式化的语言表达研究意图，再借AI系统把意图转化为可执行的工作流。

这就是从“数据分析”到“推理编排”的范式跃迁，其意义堪比20世纪从人工手算向计算机运算的转变。我们能预见，AI工具将帮我们协调各种工具和处理模块，更便捷准确地执行人类科学家的指令、大幅提升科研效率。在更久远的将来，我们也许可以期望人类和AI之间更深刻的融合，人类定义目的，AI作为手段。

中国科学院高能物理研究所已通过开发“赛博士”率先开启实践旅程。这是一套开创性的多智能体框架，基于特定领域的“物理语言”构建，允许研究者用自然语言或半形式化语言表述目标，并由系统自动将其转换为结构化分析流程。每个AI智能体都要处理工作流中的一个特定环节，例如数据整理、模型优化和不确定性分析，其他智能体要审核推理过程并验证结果。所有决策均被记录且可解读，以确保自动化流程透明可溯。

CEPC研发团队致力于将AI引入未来对撞机实验。他们开创的“喷注起源鉴别”技术，能清晰区分各类粒子特征信号，显著提升关键物理测量的精度。团队还建立了整体方法（holistic approach）的端到端分析法，无须人工干预而自动判定物理事件类型，这也使得发现希格斯相关新现象的概率飙升至过去的大约三倍。此外，研究人员探索了从定制算法到大语言模型的多元AI工具，通过研究这些系统的行为和学习机制，发现了可令AI在科研应用中更加透明且易于解读的关键特征。

鉴于CEPC部署的“赛博士”等系统，及其对AI工具的专项开发研究，我们有理由期待，这台对撞机会成为智能时代里“智能融合做科学”的神奇试验场，让全球科学家与智能体跨越大陆、忘却时区地通力合作。这不仅是数据分析的升级，更是科研方法的重塑。通过融合深度学习、语言推理和人类监督，CEPC将开创所谓“智能体科学”，此范式旨在拓展人的认知而非取代人的思维。

正如诞生于欧洲核子研究中心的万维网改变了人类的生活，CEPC与AI的融合，也许会重构科学探索的运作模式。这套原本用于破解希格斯玻色子奥秘的基础设施，未来或许能加速气候科学、医学与材料科学等领域的探索进程。从这个意义上说，CEPC不仅是探索物质结构和早期宇宙的窗口，更可能是未来知识体系的蓝图——在这一蓝图中，人类的好奇心与AI将深度融合，持续拓展科学探索的前沿边界。

全球协同，共探未知

一旦建成，CEPC将引领全球科学探索新纪元。共同担负起探索未知世界使命的，还有日本的国际直线对撞机（ILC）、欧洲的未来环形对撞机（FCC）以及美国的电子-离子对撞机（EIC）等。这些大科学装置并非相互竞争关系，而是肩负共同使命的伙伴，将携手探寻自然本质，开拓人类知识疆域。

科学伟业不只需要尖端技术，更离不开全面深度的合作。建造并运行CEPC规模的设施需要集合全球科学家和工程师的力量——他们或许说着不同的语言，但都怀有共同的理想。我们期待，在CEPC的新纪元里，时空距离不再是科学协作的障碍，文化隔阂也难阻求索真知之路。CEPC正是这种科学精神的体现，来自世界各地的思想理念汇聚于此，向宇宙和物质的基础前沿深入探索。

如前文所说，CEPC的影响力远超粒子物理学本身，可能带来众多领域的新突破。比如说，CEPC装置所需的技术要求超导磁铁、超精密探测器、人工智能、数据分析等方面的创新。历史上的各个对撞机项目都证明了，此类科学工程的影响可惠及医学、计算机科学、环境科学等。人类探索宇宙的征途，也是改变生活的旅途。

从这个意义上看，CEPC不仅是科学工具，更是全球合作与进步的象征。它提示我们，人类最伟大的成就从来不会孤立产生，而来自共同的追求——更远大的愿景，更深刻的思想，以及对我们所居住的这个宇宙和物质世界的更深理解和永恒好奇……

来源：世界科学

原标题：宇宙新视窗：探秘中国下一代超级对撞机 | 大家

编辑：子木

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号