宇宙新視窗：探秘中國(guó)下一代超級(jí)對(duì)撞機(jī) | 大家

設(shè)置星標(biāo)★關(guān)注，從此你的世界多點(diǎn)科學(xué)~

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在探索自然的征程上，中國(guó)科學(xué)家正全力推進(jìn)一項(xiàng)重大計(jì)劃：環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）。這座將長(zhǎng)達(dá)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(shí)驗(yàn)環(huán)境下產(chǎn)生數(shù)以百萬計(jì)希格斯玻色子，幫助科學(xué)家探究粒子的物質(zhì)起源，檢驗(yàn)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(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，為更多諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的新突破指引方向。

CEPC不僅是強(qiáng)大的科學(xué)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(rèn)知與科學(xué)發(fā)現(xiàn)同步拓展。由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研發(fā)的“賽博士”等AI系統(tǒng)，會(huì)與科學(xué)家協(xié)同工作，實(shí)時(shí)地規(guī)劃、分析和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

可以說，CEPC象征著科學(xué)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(shí)的前沿。

阮曼奇

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員，主導(dǎo)完成CEPC概念設(shè)計(jì)報(bào)告中的基準(zhǔn)探測(cè)器設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)CEPC上的科學(xué)及設(shè)計(jì)工作

布魯斯·梅拉多(Bruce Mellado)

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

陳繕真

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所青年研究員，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)底夸克實(shí)驗(yàn)和CEPC研究團(tuán)隊(duì)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(yuǎn)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(xué)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(yùn)行規(guī)律等永恒的問題。

過去一個(gè)世紀(jì)，被稱為粒子對(duì)撞機(jī)的大型科學(xué)儀器成了我們觀察大自然的超級(jí)顯微鏡。通過讓粒子高速碰撞，對(duì)撞機(jī)揭示物質(zhì)最隱秘的結(jié)構(gòu)。其中人類現(xiàn)有最強(qiáng)大的對(duì)撞機(jī)，也就是來自歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC)，找到了希格斯玻色子，貢獻(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)模型中的質(zhì)量之源，同時(shí)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(xué)獎(jiǎng)。經(jīng)測(cè)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(dāng)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(shí)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(cè)。

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(cè)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(duì)稱現(xiàn)象，至今仍是科學(xué)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(jì)地穿過我們身體。實(shí)驗(yàn)表明中微子具有微小但非零的質(zhì)量，標(biāo)準(zhǔn)模型目前無法解釋此現(xiàn)象。

讓我們興奮的是，全球多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)已觀測(cè)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(hào)。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(hào)。環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，未來將深入追蹤新現(xiàn)象、挖掘新線索，驗(yàn)證它們是否指向更深層的物理事實(shí)和規(guī)律。

對(duì)于力求揭開未解之謎的科學(xué)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(duì)撞。由此，物理學(xué)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(huì)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(gè)非凡發(fā)現(xiàn)。

為實(shí)現(xiàn)其宏偉目標(biāo)，CEPC不僅需要建造強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)裝置，更必須推動(dòng)科研范式的變革。這臺(tái)對(duì)撞機(jī)有望開創(chuàng)人類-AI智能融合（簡(jiǎn)稱“智能融合”）的新時(shí)代：AI與科學(xué)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(jī)器推理，那將是科研方法的革命性飛躍，意味著我們會(huì)以前所未有的速度和精度實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)到科學(xué)發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化。

宏偉愿景

根據(jù)規(guī)劃，CEPC周長(zhǎng)100公里，將以極高能量實(shí)現(xiàn)電子束與正電子束的對(duì)撞。歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)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(yùn)行，在極為潔凈的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中產(chǎn)生數(shù)百萬希格斯玻色子。每一次碰撞都會(huì)打開一扇窗，讓我們窺探物質(zhì)獲得質(zhì)量的奇妙機(jī)制。通過精確測(cè)量，CEPC的探索范圍遠(yuǎn)超LHC等已有對(duì)撞機(jī)（呈量級(jí)提升）。觀測(cè)值與理論預(yù)測(cè)間的細(xì)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(cè)量邊界，為基于高精度測(cè)量的物理發(fā)現(xiàn)樹立新標(biāo)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(jī)遇。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)帶來了不少誘人線索：或許，希格斯粒子并非獨(dú)行者，在電弱能標(biāo)附近，有更多的類希格斯粒子存在，每一種都可揭示對(duì)稱性破缺的新維度。CEPC空前的亮度和探測(cè)精度，將使科學(xué)家能系統(tǒng)搜尋已知希格斯玻色子的“伙伴”、新的標(biāo)量態(tài)、擴(kuò)展希格斯場(chǎng)，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(biāo)準(zhǔn)模型，開啟粒子物理學(xué)新篇章。

CEPC剖面示意圖，展示其長(zhǎng)達(dá)100公里的地下環(huán)形隧道，以及連接地面實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)算科學(xué)及材料科學(xué)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(zhǎng)為具備跨學(xué)科視野的國(guó)際人才，同時(shí)也傳承科學(xué)界永恒追求的精神——探索未知，追求極限。

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（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(zhǔn)了更高的能級(jí)、更基礎(chǔ)的對(duì)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(jìn)，更代表了全人類共同的探求——宇宙萬象如何起源。

對(duì)撞機(jī)的運(yùn)作方式

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

在CEPC中，對(duì)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(qiáng)器，后者將粒子能量提升到對(duì)撞所需的滿能量狀態(tài)后，注入兩個(gè)儲(chǔ)存環(huán)，一個(gè)承載電子、一個(gè)承載正電子，兩者在同一隧道內(nèi)反向運(yùn)行。

環(huán)形軌道上的束流因?yàn)橥捷椛鋾?huì)持續(xù)損失能量，儲(chǔ)存環(huán)上的射頻站則通過為束流補(bǔ)充能量來維持這一平衡。通過強(qiáng)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(jìn)行有效的對(duì)撞。CEPC安裝有高精度的監(jiān)控和診斷系統(tǒng)，保障對(duì)撞機(jī)的安全高效運(yùn)行。

探測(cè)器是CEPC的核心，正反粒子束在此相遇。探測(cè)器采用類似洋蔥的多層結(jié)構(gòu)，由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，能準(zhǔn)確記錄每次對(duì)撞事例，解析所有可見末態(tài)粒子的能量、動(dòng)量以及類型等信息。內(nèi)部徑跡系統(tǒng)以微米級(jí)精度描繪帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡；量能器測(cè)量粒子穿透致密材料時(shí)沉積的能量；強(qiáng)大磁體使粒子路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，幫助科學(xué)家重建粒子的動(dòng)量。每一次對(duì)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(duì)撞上千萬次，須依托連接全球科研中心的分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)來處理海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。人工智能將在此發(fā)揮關(guān)鍵作用，實(shí)時(shí)篩選、分類與分析海量數(shù)據(jù)。從加速器、探測(cè)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(gè)孤立的科研設(shè)施，而是一個(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn)室、控制中心以及低溫設(shè)備——溫度低于外太空，負(fù)責(zé)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(xué)家與物理學(xué)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(shí)現(xiàn)的人機(jī)協(xié)同，在保持透明度與人類監(jiān)督的前提下，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)分析流程的自動(dòng)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(biāo)；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(jī)器執(zhí)行的橋梁

智能融合的科學(xué)革命

從望遠(yuǎn)鏡到對(duì)撞機(jī)，從顯微鏡到超級(jí)計(jì)算機(jī)，科學(xué)發(fā)展總是依賴于工具的進(jìn)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(xué)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(xué)、天文學(xué)抑或生物學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)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(yuǎn)非傳統(tǒng)分析方法力所能及。

變革已至，粒子物理學(xué)則正處變革中心。2012年希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，既是實(shí)驗(yàn)巧思之功，也仰仗數(shù)據(jù)分析。而以中國(guó)籌建的CEPC為代表的下一代對(duì)撞機(jī)，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(duì)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(jìn)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(xué)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(xué)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(kuò)張的節(jié)奏。在新范式下，科學(xué)發(fā)現(xiàn)是人類洞見與機(jī)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(xué)家開展分析規(guī)劃、假設(shè)驗(yàn)證和計(jì)算任務(wù)。科學(xué)家設(shè)定目標(biāo)與邏輯，AI負(fù)責(zé)解讀并執(zhí)行方案，記錄每個(gè)步驟以確保透明度和可追溯性。

過去一個(gè)多世紀(jì)里，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的進(jìn)步仰賴日益復(fù)雜的流程、不計(jì)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(jī)協(xié)同的新范式將使這種線性化、勞動(dòng)密集型的模式成為過去式，允許科學(xué)家先用清晰、半形式化的語言表達(dá)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(jì)從人工手算向計(jì)算機(jī)運(yùn)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(zhǔn)確地執(zhí)行人類科學(xué)家的指令、大幅提升科研效率。在更久遠(yuǎn)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(guó)科學(xué)院高能物理研究所已通過開發(fā)“賽博士”率先開啟實(shí)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(biāo)，并由系統(tǒng)自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化分析流程。每個(gè)AI智能體都要處理工作流中的一個(gè)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(yàn)證結(jié)果。所有決策均被記錄且可解讀，以確保自動(dòng)化流程透明可溯。

CEPC研發(fā)團(tuán)隊(duì)致力于將AI引入未來對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)。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(hào)，顯著提升關(guān)鍵物理測(cè)量的精度。團(tuán)隊(duì)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(dòng)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(xué)習(xí)機(jī)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(duì)AI工具的專項(xiàng)開發(fā)研究，我們有理由期待，這臺(tái)對(duì)撞機(jī)會(huì)成為智能時(shí)代里“智能融合做科學(xué)”的神奇試驗(yàn)場(chǎng)，讓全球科學(xué)家與智能體跨越大陸、忘卻時(shí)區(qū)地通力合作。這不僅是數(shù)據(jù)分析的升級(jí)，更是科研方法的重塑。通過融合深度學(xué)習(xí)、語言推理和人類監(jiān)督，CEPC將開創(chuàng)所謂“智能體科學(xué)”，此范式旨在拓展人的認(rèn)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(huì)重構(gòu)科學(xué)探索的運(yùn)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(xué)、醫(yī)學(xué)與材料科學(xué)等領(lǐng)域的探索進(jìn)程。從這個(gè)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(shí)體系的藍(lán)圖——在這一藍(lán)圖中，人類的好奇心與AI將深度融合，持續(xù)拓展科學(xué)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(xué)探索新紀(jì)元。共同擔(dān)負(fù)起探索未知世界使命的，還有日本的國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)（ILC）、歐洲的未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）以及美國(guó)的電子-離子對(duì)撞機(jī)（EIC）等。這些大科學(xué)裝置并非相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而是肩負(fù)共同使命的伙伴，將攜手探尋自然本質(zhì)，開拓人類知識(shí)疆域。

科學(xué)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(yùn)行CEPC規(guī)模的設(shè)施需要集合全球科學(xué)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(jì)元里，時(shí)空距離不再是科學(xué)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(xué)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(yuǎn)超粒子物理學(xué)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(cè)器、人工智能、數(shù)據(jù)分析等方面的創(chuàng)新。歷史上的各個(gè)對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目都證明了，此類科學(xué)工程的影響可惠及醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等。人類探索宇宙的征途，也是改變生活的旅途。

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

-本文刊載于《世界科學(xué)》雜志2026年第1期“大家·科技前沿”欄目；文章根據(jù)筆者在上海市科學(xué)技術(shù)普及志愿者協(xié)會(huì)主辦的“海上科普講壇”上的報(bào)告撰寫而成-

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