宇宙新視窗：探秘中國下一代超級對撞機 | 大家

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在探索自然的征程上，中國科學家正全力推進一項重大計劃：環(huán)形正負電子對撞機（CEPC）。這座將長達100公里的地下環(huán)形裝置，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。

作為“希格斯工廠”，CEPC要在潔凈實驗環(huán)境下產(chǎn)生數(shù)以百萬計希格斯玻色子，幫助科學家探究粒子的物質(zhì)起源，檢驗宇宙穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)新粒子、新相互作用力以及新規(guī)律。新的發(fā)現(xiàn)或?qū)⒅匦露x物理學標準模型，為更多諾貝爾獎級別的新突破指引方向。

CEPC不僅是強大的科學重器，更代表科研方法的革命。它將利用人工智能管理與解讀空前復(fù)雜的數(shù)據(jù)，使人類的推理認知與科學發(fā)現(xiàn)同步拓展。由中國科學院高能物理研究所研發(fā)的“賽博士”等AI系統(tǒng)，會與科學家協(xié)同工作，實時地規(guī)劃、分析和驗證實驗。

可以說，CEPC象征著科學的全球合作與人類的好奇心，匯聚了技術(shù)、數(shù)據(jù)和智慧，它能洞察宇宙奧秘的深處，也將照亮未來知識的前沿。

阮曼奇

中國科學院高能物理研究所研究員，主導(dǎo)完成CEPC概念設(shè)計報告中的基準探測器設(shè)計，協(xié)調(diào)CEPC上的科學及設(shè)計工作

布魯斯·梅拉多(Bruce Mellado)

非洲科學院與南非科學院雙院院士，曾在美國、南非及中國(高能物理研究所)擔任教職

陳繕真

中國科學院高能物理研究所青年研究員，大型強子對撞機底夸克實驗和CEPC研究團隊成員，主導(dǎo)CEPC上重味物理研究

觀察宇宙的新視窗

人類永遠在仰望星空，追尋萬物起源——這關(guān)乎到星辰、自然之力乃至我們自己。粒子物理學致力于探索和理解物質(zhì)最小構(gòu)成單元以及宇宙間的基本運行規(guī)律等永恒的問題。

過去一個世紀，被稱為粒子對撞機的大型科學儀器成了我們觀察大自然的超級顯微鏡。通過讓粒子高速碰撞，對撞機揭示物質(zhì)最隱秘的結(jié)構(gòu)。其中人類現(xiàn)有最強大的對撞機，也就是來自歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC)，找到了希格斯玻色子，貢獻了現(xiàn)代科學最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

它可以解釋基本粒子為何具有質(zhì)量，是標準模型中的質(zhì)量之源，同時也和許多關(guān)鍵未解之謎（物質(zhì)起源、暗物質(zhì)本質(zhì)、宇宙穩(wěn)定性等）息息相關(guān)。該發(fā)現(xiàn)于2012年公布，緊接著就榮獲2013年諾貝爾物理學獎。經(jīng)測定，希格斯玻色子質(zhì)量約為125吉電子伏特（1吉電子伏特 = 10億電子伏特?），相當于構(gòu)成原子核的質(zhì)子質(zhì)量的約130倍。

盡管粒子物理已取得令人矚目的巨大成就，但擺在人類面前，有關(guān)物質(zhì)、時空、宇宙的未解之謎仍有很多。

我們?nèi)圆恢滴镔|(zhì)為何物，這種不可見的物質(zhì)維系著星系穩(wěn)定，卻無法直接觀測。

我們也無法理解暗能量，這種神秘力量似乎驅(qū)使著宇宙加速膨脹。

宇宙幾乎完全由物質(zhì)構(gòu)成，物理定律卻預(yù)測宇宙大爆炸后應(yīng)產(chǎn)生等量的物質(zhì)與反物質(zhì)，這種可能由所謂“CP破壞”導(dǎo)致的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱現(xiàn)象，至今仍是科學界最關(guān)鍵的一大未解之謎。

另一謎題則涉及中微子，幽靈般的它們每秒鐘都在數(shù)以億億計地穿過我們身體。實驗表明中微子具有微小但非零的質(zhì)量，標準模型目前無法解釋此現(xiàn)象。

讓我們興奮的是，全球多項實驗已觀測到許多全新物理現(xiàn)象的線索，數(shù)據(jù)中有引人遐想的異常信號。尤其值得關(guān)注的是與希格斯玻色子特性相似、在質(zhì)量約為95吉電子伏特和152吉電子伏特處出現(xiàn)的信號。環(huán)形正負電子對撞機，未來將深入追蹤新現(xiàn)象、挖掘新線索，驗證它們是否指向更深層的物理事實和規(guī)律。

對于力求揭開未解之謎的科學家來說，CEPC是他們急需的新一代精密工具，一雙觀察宇宙的新眼睛。它將在潔凈可控的環(huán)境中，使電子和正電子（電子的反粒子、也是一種反物質(zhì)）發(fā)生對撞。由此，物理學者能以更高精度研究希格斯玻色子等已知粒子，并發(fā)現(xiàn)新規(guī)律。人類不會停下探索大自然的腳步，而CEPC有望開啟新篇章，也值得我們期待下一個非凡發(fā)現(xiàn)。

為實現(xiàn)其宏偉目標，CEPC不僅需要建造強大的實驗裝置，更必須推動科研范式的變革。這臺對撞機有望開創(chuàng)人類-AI智能融合（簡稱“智能融合”）的新時代：AI與科學家合作，共同駕馭海量復(fù)雜數(shù)據(jù)。將人類洞見深度融合機器推理，那將是科研方法的革命性飛躍，意味著我們會以前所未有的速度和精度實現(xiàn)從數(shù)據(jù)到科學發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化。

宏偉愿景

根據(jù)規(guī)劃，CEPC周長100公里，將以極高能量實現(xiàn)電子束與正電子束的對撞。歐洲核子研究中心的大型強子對撞機揭示了希格斯粒子的存在，CEPC的使命則是深入解析其本質(zhì)。

CEPC將作為希格斯粒子工廠運行，在極為潔凈的實驗環(huán)境中產(chǎn)生數(shù)百萬希格斯玻色子。每一次碰撞都會打開一扇窗，讓我們窺探物質(zhì)獲得質(zhì)量的奇妙機制。通過精確測量，CEPC的探索范圍遠超LHC等已有對撞機（呈量級提升）。觀測值與理論預(yù)測間的細微差異，可能預(yù)示新規(guī)律的存在，為基本物理探索提供關(guān)鍵線索，為重大發(fā)現(xiàn)提供決定性證據(jù)。除希格斯玻色子外，CEPC還將專門研究Z玻色子、W玻色子和頂夸克，在電弱相互作用領(lǐng)域開拓精密測量邊界，為基于高精度測量的物理發(fā)現(xiàn)樹立新標桿。

除了開拓高精度的邊界，CEPC也將帶來能創(chuàng)造大量新發(fā)現(xiàn)的機遇。大型強子對撞機帶來了不少誘人線索：或許，希格斯粒子并非獨行者，在電弱能標附近，有更多的類希格斯粒子存在，每一種都可揭示對稱性破缺的新維度。CEPC空前的亮度和探測精度，將使科學家能系統(tǒng)搜尋已知希格斯玻色子的“伙伴”、新的標量態(tài)、擴展希格斯場，乃至連接可見世界與暗物質(zhì)世界的橋梁。CEPC有望帶來的新發(fā)現(xiàn)將重塑標準模型，開啟粒子物理學新篇章。

CEPC剖面示意圖，展示其長達100公里的地下環(huán)形隧道，以及連接地面實驗建筑的豎井

CEPC也象征開放與合作。建成后，CEPC將成為粒子物理實驗研究的旗艦，將吸引全世界科研人員與工程師協(xié)同創(chuàng)新。CEPC將融合超導(dǎo)技術(shù)、低溫工程、微電子、計算科學及材料科學等領(lǐng)域的尖端成果，新技術(shù)又可反哺工業(yè)、醫(yī)療和環(huán)境方面的創(chuàng)新。此外，它將作為人才培育基地，幫助參與者成長為具備跨學科視野的國際人才，同時也傳承科學界永恒追求的精神——探索未知，追求極限。

北京正負電子對撞機（BEPC）曾在τ-粲能區(qū)取得驚艷世界的研究成果，站在前輩肩膀上的CEPC，則瞄準了更高的能級、更基礎(chǔ)的對象和問題。從BEPC到CEPC，是傳承，也是變革，是面向宇宙隱秘結(jié)構(gòu)的大步前進，更代表了全人類共同的探求——宇宙萬象如何起源。

對撞機的運作方式

CEPC被安裝在地下的隧道環(huán)內(nèi)，周長百公里的環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)蘊藏工程學杰作：加速器、磁體、探測器和計算系統(tǒng)等各子系統(tǒng)協(xié)同運行，以精妙方式共同構(gòu)成龐大科研儀器。

在CEPC中，對撞粒子的旅程始于直線加速器。直線加速器產(chǎn)生電子與正電子束流，并將其加速至接近光速。隨后粒子被傳輸至增強器，后者將粒子能量提升到對撞所需的滿能量狀態(tài)后，注入兩個儲存環(huán)，一個承載電子、一個承載正電子，兩者在同一隧道內(nèi)反向運行。

環(huán)形軌道上的束流因為同步輻射會持續(xù)損失能量，儲存環(huán)上的射頻站則通過為束流補充能量來維持這一平衡。通過強有力的磁鐵系統(tǒng)和高精度的束流控制技術(shù)，CEPC將束流約束在精確的軌道上、進行有效的對撞。CEPC安裝有高精度的監(jiān)控和診斷系統(tǒng)，保障對撞機的安全高效運行。

探測器是CEPC的核心，正反粒子束在此相遇。探測器采用類似洋蔥的多層結(jié)構(gòu)，由多個子系統(tǒng)構(gòu)成，能準確記錄每次對撞事例，解析所有可見末態(tài)粒子的能量、動量以及類型等信息。內(nèi)部徑跡系統(tǒng)以微米級精度描繪帶電粒子運動軌跡；量能器測量粒子穿透致密材料時沉積的能量；強大磁體使粒子路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，幫助科學家重建粒子的動量。每一次對撞，都是一張關(guān)于自然界基本相互作用的快照，一扇通往宇宙本質(zhì)的視窗。

CEPC 每秒大約對撞上千萬次，須依托連接全球科研中心的分布式計算網(wǎng)絡(luò)來處理海量實驗數(shù)據(jù)。人工智能將在此發(fā)揮關(guān)鍵作用，實時篩選、分類與分析海量數(shù)據(jù)。從加速器、探測器到基于網(wǎng)絡(luò)和人工智能的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，CEPC不是一個孤立的科研設(shè)施，而是一個整體性的、面向重大發(fā)現(xiàn)的科研生態(tài)系統(tǒng)。

CEPC在地表之下的環(huán)形隧道勾勒出近乎完美的幾何圓形。豎井連接著隧道與地面設(shè)施，包括各個實驗室、控制中心以及低溫設(shè)備——溫度低于外太空，負責冷卻超導(dǎo)系統(tǒng)。地面之上將建成全新科研園區(qū)，作為匯集全球工程師、數(shù)據(jù)科學家與物理學家的合作創(chuàng)新樞紐。CEPC是精度、規(guī)模與想象力的完美融合。

新興的智能融合模式：通過領(lǐng)域特定語言（DSL）實現(xiàn)的人機協(xié)同，在保持透明度與人類監(jiān)督的前提下，實現(xiàn)傳統(tǒng)分析流程的自動化。研究人員無須逐行編碼，而是用自然或半形式化語言表述目標；AI智能體解讀、規(guī)劃并執(zhí)行工作流，人類則是決策者，審核可視化結(jié)果，確保其可解釋性。領(lǐng)域特定語言成為連接人類意圖與機器執(zhí)行的橋梁

智能融合的科學革命

從望遠鏡到對撞機，從顯微鏡到超級計算機，科學發(fā)展總是依賴于工具的進步。如今，這些工具的巨大成功也帶來了前所未有的挑戰(zhàn)：各學科領(lǐng)域正以超越人類理解能力的規(guī)模持續(xù)產(chǎn)生數(shù)據(jù)。無論是物理學、天文學抑或生物學領(lǐng)域的科學家都已開始觸及“復(fù)雜度上限”，數(shù)據(jù)規(guī)模之巨、種類之繁、速度之快，遠非傳統(tǒng)分析方法力所能及。

變革已至，粒子物理學則正處變革中心。2012年希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，既是實驗巧思之功，也仰仗數(shù)據(jù)分析。而以中國籌建的CEPC為代表的下一代對撞機，其產(chǎn)出數(shù)據(jù)的規(guī)模和復(fù)雜度都可謂空前——數(shù)億億次對撞事件，每一次碰撞都飽含微妙的模式、關(guān)聯(lián)和可能性。要從信息汪洋里提煉真知，不能只靠人工編碼、順序進行的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模式了，我們需要一種全新的科學智能。

CEPC的研究人員希望將AI深度融入科研流程核心以迎接全新挑戰(zhàn)。其理念并非取代科學家，而是賦能，是給人類的思維加速度，以緊跟數(shù)據(jù)復(fù)雜度擴張的節(jié)奏。在新范式下，科學發(fā)現(xiàn)是人類洞見與機器智能融合的結(jié)晶。基于大語言模型與推理框架構(gòu)建的智能軟件代理，將協(xié)助物理學家開展分析規(guī)劃、假設(shè)驗證和計算任務(wù)。科學家設(shè)定目標與邏輯，AI負責解讀并執(zhí)行方案，記錄每個步驟以確保透明度和可追溯性。

過去一個多世紀里，實驗物理學的進步仰賴日益復(fù)雜的流程、不計其數(shù)的代碼、定制軟件工具以及海量數(shù)據(jù)專家。而人機協(xié)同的新范式將使這種線性化、勞動密集型的模式成為過去式，允許科學家先用清晰、半形式化的語言表達研究意圖，再借AI系統(tǒng)把意圖轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的工作流。

這就是從“數(shù)據(jù)分析”到“推理編排”的范式躍遷，其意義堪比20世紀從人工手算向計算機運算的轉(zhuǎn)變。我們能預(yù)見，AI工具將幫我們協(xié)調(diào)各種工具和處理模塊，更便捷準確地執(zhí)行人類科學家的指令、大幅提升科研效率。在更久遠的將來，我們也許可以期望人類和AI之間更深刻的融合，人類定義目的，AI作為手段。

中國科學院高能物理研究所已通過開發(fā)“賽博士”率先開啟實踐旅程。這是一套開創(chuàng)性的多智能體框架，基于特定領(lǐng)域的“物理語言”構(gòu)建，允許研究者用自然語言或半形式化語言表述目標，并由系統(tǒng)自動將其轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化分析流程。每個AI智能體都要處理工作流中的一個特定環(huán)節(jié)，例如數(shù)據(jù)整理、模型優(yōu)化和不確定性分析，其他智能體要審核推理過程并驗證結(jié)果。所有決策均被記錄且可解讀，以確保自動化流程透明可溯。

CEPC研發(fā)團隊致力于將AI引入未來對撞機實驗。他們開創(chuàng)的“噴注起源鑒別”技術(shù)，能清晰區(qū)分各類粒子特征信號，顯著提升關(guān)鍵物理測量的精度。團隊還建立了整體方法（holistic approach）的端到端分析法，無須人工干預(yù)而自動判定物理事件類型，這也使得發(fā)現(xiàn)希格斯相關(guān)新現(xiàn)象的概率飆升至過去的大約三倍。此外，研究人員探索了從定制算法到大語言模型的多元AI工具，通過研究這些系統(tǒng)的行為和學習機制，發(fā)現(xiàn)了可令A(yù)I在科研應(yīng)用中更加透明且易于解讀的關(guān)鍵特征。

鑒于CEPC部署的“賽博士”等系統(tǒng)，及其對AI工具的專項開發(fā)研究，我們有理由期待，這臺對撞機會成為智能時代里“智能融合做科學”的神奇試驗場，讓全球科學家與智能體跨越大陸、忘卻時區(qū)地通力合作。這不僅是數(shù)據(jù)分析的升級，更是科研方法的重塑。通過融合深度學習、語言推理和人類監(jiān)督，CEPC將開創(chuàng)所謂“智能體科學”，此范式旨在拓展人的認知而非取代人的思維。

正如誕生于歐洲核子研究中心的萬維網(wǎng)改變了人類的生活，CEPC與AI的融合，也許會重構(gòu)科學探索的運作模式。這套原本用于破解希格斯玻色子奧秘的基礎(chǔ)設(shè)施，未來或許能加速氣候科學、醫(yī)學與材料科學等領(lǐng)域的探索進程。從這個意義上說，CEPC不僅是探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)和早期宇宙的窗口，更可能是未來知識體系的藍圖——在這一藍圖中，人類的好奇心與AI將深度融合，持續(xù)拓展科學探索的前沿邊界。

全球協(xié)同，共探未知

一旦建成，CEPC將引領(lǐng)全球科學探索新紀元。共同擔負起探索未知世界使命的，還有日本的國際直線對撞機（ILC）、歐洲的未來環(huán)形對撞機（FCC）以及美國的電子-離子對撞機（EIC）等。這些大科學裝置并非相互競爭關(guān)系，而是肩負共同使命的伙伴，將攜手探尋自然本質(zhì)，開拓人類知識疆域。

科學偉業(yè)不只需要尖端技術(shù)，更離不開全面深度的合作。建造并運行CEPC規(guī)模的設(shè)施需要集合全球科學家和工程師的力量——他們或許說著不同的語言，但都懷有共同的理想。我們期待，在CEPC的新紀元里，時空距離不再是科學協(xié)作的障礙，文化隔閡也難阻求索真知之路。CEPC正是這種科學精神的體現(xiàn)，來自世界各地的思想理念匯聚于此，向宇宙和物質(zhì)的基礎(chǔ)前沿深入探索。

如前文所說，CEPC的影響力遠超粒子物理學本身，可能帶來眾多領(lǐng)域的新突破。比如說，CEPC裝置所需的技術(shù)要求超導(dǎo)磁鐵、超精密探測器、人工智能、數(shù)據(jù)分析等方面的創(chuàng)新。歷史上的各個對撞機項目都證明了，此類科學工程的影響可惠及醫(yī)學、計算機科學、環(huán)境科學等。人類探索宇宙的征途，也是改變生活的旅途。

從這個意義上看，CEPC不僅是科學工具，更是全球合作與進步的象征。它提示我們，人類最偉大的成就從來不會孤立產(chǎn)生，而來自共同的追求——更遠大的愿景，更深刻的思想，以及對我們所居住的這個宇宙和物質(zhì)世界的更深理解和永恒好奇……

文章轉(zhuǎn)載自“世界科學”微信公眾號