2018年初秋，天氣漸涼。

　　環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）探測(cè)器概念設(shè)計(jì)報(bào)告基本成稿，并于9月初進(jìn)行了國(guó)際評(píng)審。這是CEPC預(yù)研工作的重要里程碑。我們的工作、特別是其中原創(chuàng)性的Arbor算法以及探測(cè)器性能分析，得到了國(guó)際專家的高度評(píng)價(jià)。Arbor算法是CEPC物理事例重建的核心，它抓住粒子簇射的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一、整體、高效地將探測(cè)器記錄到的信息詮釋成末態(tài)可見(jiàn)粒子。某種程度上，它決定了CEPC探測(cè)器的智能高低，是確保其物理性能的關(guān)鍵。

圖1 左圖，Arbor 算法的重建事例。右圖，以Arbor 算法重建的、CEPC 上的4 噴注希格斯粒子事例

圖2 CEPC 概念探測(cè)器幾何，及其關(guān)鍵性的噴注重建性能演示：W 玻色子、Z 玻色子以及希格斯粒子在噴注末態(tài)物理事例中的分離

　　評(píng)審結(jié)束后，我踏上前往上海高粒度量能器（CALICE）工作會(huì)議的高鐵。窗外風(fēng)景變換，我的思緒漸漸飄遠(yuǎn)。

　　1999年，我考入清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)。2年后，我發(fā)現(xiàn)自己的個(gè)性更適合做基礎(chǔ)研究。借保研的機(jī)會(huì)，我轉(zhuǎn)入粒子物理方向。導(dǎo)師高原寧教授為了讓我對(duì)高能物理實(shí)驗(yàn)多一些感性認(rèn)識(shí)（用他的話來(lái)說(shuō)“免得將來(lái)后悔”），特意為我聯(lián)系了到高能所的實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)，參加2002年北京譜儀的夏季維修。我的主要工作是對(duì)譜儀主漂移室的高壓電源系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。

　　維護(hù)工作是枯燥的。我們需要把幾十公斤重的電源系統(tǒng)從支架上拆下來(lái)、清潔之后、一道一道地進(jìn)行高壓掃描，確定每一道都能正常工作后，再將它安裝回去。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)安靜地俯臥在隔壁的環(huán)道中，仿佛沉眠著的猛獸。成千上萬(wàn)噸的金屬和電纜，能點(diǎn)亮整個(gè)小鎮(zhèn)的電能，以及數(shù)以百計(jì)的專業(yè)人才，被高效地組織起來(lái)，對(duì)物質(zhì)世界的極微結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的探索。這種決心和張力令我驚嘆、沉迷；粒子物理理論模型的簡(jiǎn)潔優(yōu)美則讓我震撼不已。也許在那個(gè)時(shí)候，我和對(duì)撞機(jī)、和高能所的鏈接，就已種下了種子。

　　從博士階段開(kāi)始，我的職業(yè)生涯圍繞著希格斯粒子和正負(fù)電子希格斯工廠展開(kāi)。希格斯粒子是目前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中最基本、最神秘的粒子，它和粒子物理世界中的種種未解之謎緊密相關(guān)。2012年，歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，這一偉大發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)模型的全部粒子譜，也為粒子物理進(jìn)一步的探索提供了全新的、強(qiáng)有力的探針。正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)擁有極高的信噪比和精確可知的對(duì)撞初態(tài)，可在極高的精度下對(duì)希格斯粒子性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，其預(yù)期精度可大大超過(guò)高亮度強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（HL-LHC）的極限精度。因此，高能物理學(xué)界積極探索建設(shè)基于正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的希格斯粒子工廠，其中包括了直線對(duì)撞機(jī)和環(huán)形對(duì)撞機(jī)。直線對(duì)撞機(jī)有基于超導(dǎo)高頻加速技術(shù)的國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)（ILC）和基于雙束流加速技術(shù)的緊致對(duì)撞機(jī)（CLIC）；而環(huán)形對(duì)撞機(jī)則包括了我國(guó)高能物理學(xué)界倡議的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC），以及歐洲核子中心倡議的未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）。

　　2008年，作為中法聯(lián)合培養(yǎng)博士生，我在清華大學(xué)和巴黎十一大完成了我的博士論文。其后，我在巴黎綜合理工學(xué)校進(jìn)行了為期六年的博士后研究。2013年，我返回中科院高能物理研究所，負(fù)責(zé)進(jìn)行CEPC探測(cè)器的模擬工作。2014年初，我接受歐洲核子中心的邀請(qǐng)，以Fellow形式，對(duì)粒子流算法進(jìn)行合作深入研究，同時(shí)參與CEPC預(yù)備概念設(shè)計(jì)報(bào)告研究工作。2015年回國(guó)，全時(shí)進(jìn)行CEPC探測(cè)器模擬工作。

　　在歐洲的生活是我科研和生活中非常重要的經(jīng)歷。法國(guó)生活壓力較小，工作節(jié)奏較慢。這種環(huán)境有時(shí)會(huì)導(dǎo)致科研工作進(jìn)展較慢。另一方面，慢節(jié)奏對(duì)科研的深入?yún)s是不無(wú)裨益的：人們可以長(zhǎng)時(shí)間地調(diào)研、專心致志地思索科學(xué)問(wèn)題，有利于對(duì)物理圖像整體性的、深入的理解；也有利于優(yōu)雅深刻地解決問(wèn)題。我曾經(jīng)拿出數(shù)月的時(shí)間、進(jìn)行分析的微調(diào)；在進(jìn)行Arbor重建算法的架構(gòu)構(gòu)建之時(shí)，我干脆休了個(gè)假，回到家鄉(xiāng)，在整整一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，除了吃飯睡覺(jué)，就是跑步、構(gòu)思程序、調(diào)試代碼。法國(guó)科研隊(duì)伍中年輕人相對(duì)較少；年長(zhǎng)的學(xué)者們往往對(duì)物理問(wèn)題有著深刻的了解，他們幾乎無(wú)窮無(wú)盡的耐心也使得年輕人有機(jī)會(huì)得到很好的關(guān)心指導(dǎo)。我很快喜歡上了咖啡廳，享受這種放松的討論的氛圍。伴隨著咖啡的香味和巧克力的甘甜，物理的模型和核心的機(jī)理一點(diǎn)點(diǎn)在頭腦中拼接，構(gòu)建出完整的物理圖像；工作的重點(diǎn)和著力點(diǎn)，也隨之一點(diǎn)點(diǎn)明確。

　　歐洲核子中心是另一種氛圍。它是一個(gè)巨大的蜂巢，集結(jié)著高能物理前沿的精銳。這里有各方面的一流專家；有各式各樣的學(xué)術(shù)活動(dòng)；有蜂群般忙忙碌碌的人群；有配備齊全的、大小不等的實(shí)驗(yàn)室。CERN的節(jié)奏是非?？斓?，人們?yōu)榱嗣鞔_的科研目標(biāo)，專業(yè)化地將大塊的任務(wù)分解拆分，通過(guò)高效的管理和日常的交流例會(huì)，有力推動(dòng)著各項(xiàng)研究。在這種環(huán)境下，較為成熟的科研人員可以做到如魚(yú)得水：無(wú)論硬件、軟件的支持還是合作對(duì)象，在這里總能找到合適的伙伴和一流的資源，有利于科研工作的深入展開(kāi)；歐核中心內(nèi)部也擁有一種積極的競(jìng)爭(zhēng)氛圍，有利于青年人才的脫穎而出。在這里，我結(jié)識(shí)了一大批年輕的充滿朝氣的科研人員，結(jié)識(shí)了一大批對(duì)正負(fù)電子希格斯工廠項(xiàng)目充滿熱情的國(guó)內(nèi)外專家。就我個(gè)人而言，我在法國(guó)較為完整地構(gòu)建了自己在正負(fù)電子希格斯工廠的知識(shí)體系；在CERN的經(jīng)歷，則讓我適應(yīng)了大規(guī)?？蒲泄ぷ鞯慕M織，同時(shí)通過(guò)合作有效推動(dòng)了科研工作。

　　由于希格斯粒子的質(zhì)量?jī)H有125GeV，環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)可以有效產(chǎn)生希格斯粒子。2013年初，我接到中科院高能物理研究所金山老師的電話，告訴我中國(guó)高能物理學(xué)界在積極探索建造CEPC的可能性，這讓我興奮不已。CEPC的建設(shè)，意味著中國(guó)能成為高能物理這一領(lǐng)域的世界領(lǐng)袖，將在接近半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)主導(dǎo)這一領(lǐng)域的發(fā)展。其科學(xué)產(chǎn)出，技術(shù)輻射，教科文活動(dòng)，將產(chǎn)生極為積極、極為深遠(yuǎn)的影響。我在高能所加入了CEPC團(tuán)隊(duì)，具體工作包括了CEPC探測(cè)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化，模擬軟件工具的開(kāi)發(fā)，物理潛力的模擬分析，以及團(tuán)隊(duì)建設(shè)。

　　整個(gè)中國(guó)的高能物理學(xué)界也在為了CEPC而興奮。除了高能所，全國(guó)各大高校也積極投入了CEPC的預(yù)備研究工作，同時(shí)國(guó)際高能物理學(xué)界也對(duì)CEPC項(xiàng)目表現(xiàn)出極大的興趣和高度支持。另一方面，中國(guó)高能物理學(xué)界在CEPC項(xiàng)目所需的技術(shù)和人才隊(duì)伍方面，還非常薄弱。相對(duì)于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC），CEPC的質(zhì)心能量提高了兩個(gè)量級(jí)，其幾何尺寸提高了近三個(gè)量級(jí)，亮度將提高1–2個(gè)量級(jí)，其物理目標(biāo)、對(duì)撞機(jī)設(shè)計(jì)、探測(cè)器需求都發(fā)生了巨大變化，處處都是挑戰(zhàn)。從B到C，需要我們付出巨大的努力。

　　在CEPC模擬工作中，我在ILC上的經(jīng)驗(yàn)派上了用場(chǎng)。針對(duì)正負(fù)電子希格斯工廠的探測(cè)器設(shè)計(jì)和軟件工具，ILC合作組經(jīng)過(guò)多年研究給出了一整套方案；并就其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量的預(yù)研，進(jìn)行了大量的原型機(jī)建造、驗(yàn)證以及測(cè)試。ILC的研究為CEPC相關(guān)研究提供了絕佳的出發(fā)點(diǎn)。另一方面，ILC和CEPC的對(duì)撞環(huán)境、束流結(jié)構(gòu)、質(zhì)心能量顯著不同，其物理目標(biāo)也并不完全一致。這意味著我們的設(shè)計(jì)不能原樣照搬ILC的設(shè)計(jì)。我們需要重新審視所有子探測(cè)技術(shù)方案能否使用于CEPC環(huán)境；需要根據(jù)CEPC物理需求，重新優(yōu)化探測(cè)器設(shè)計(jì)和參數(shù)。

　　經(jīng)過(guò)5年的努力，我們完成了CEPC的探測(cè)器基線探測(cè)器設(shè)計(jì)和基線軟件工具，并就CEPC的物理潛力進(jìn)行了深入分析。從ILC軟件框架出發(fā)，我們使用原創(chuàng)性的Arbor算法完成了CEPC的粒子流重建工具，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了大量的軟件工具，完成了CEPC的基準(zhǔn)軟件工具，目前軟件工具中自主開(kāi)發(fā)的模塊接近3/4。我們就CEPC探測(cè)器上時(shí)間投影室的適用性問(wèn)題、量能器系統(tǒng)的優(yōu)化及冷卻問(wèn)題、主線圈磁場(chǎng)選擇、對(duì)撞機(jī)–探測(cè)器界面設(shè)計(jì)（MDI）等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，給出了結(jié)論；并在此基礎(chǔ)上完成了CEPC的基線探測(cè)器。在希格斯粒子性質(zhì)測(cè)量方面，CEPC的基線探測(cè)器同ILC探測(cè)器性能不相上下?？紤]到CEPC上可進(jìn)行的、豐富的味物理測(cè)量，我們加強(qiáng)了CEPC探測(cè)器在粒子甄別方面的性能。在造價(jià)、功耗方面，CEPC探測(cè)器較之ILC探測(cè)器顯著下降。針對(duì)CEPC的基線設(shè)計(jì)，我們開(kāi)展了國(guó)內(nèi)外的大量合作，就其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了積極的預(yù)研，并開(kāi)展了原型樣機(jī)的研制和測(cè)試。

　　使用CEPC的基線探測(cè)器設(shè)計(jì)及基線軟件，我們對(duì)CEPC的物理潛力進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。分析表明，CEPC可將希格斯粒子性質(zhì)測(cè)到0.1%—1%的精度，超出HL-LHC達(dá)一個(gè)量級(jí)；CEPC上電弱物理的測(cè)量精度也將超過(guò)現(xiàn)有精度達(dá)至少一個(gè)量級(jí)。

　　在CEPC研究中，我認(rèn)為最重要的是人才隊(duì)伍的培養(yǎng)和核心技術(shù)的掌握。在過(guò)去5年的工作中，通過(guò)積極的合作和人才的自主培養(yǎng)，我們訓(xùn)練出一支掌握了大部分核心技術(shù)的人員隊(duì)伍。這使得我們掌握了CEPC探測(cè)器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化的主動(dòng)。

　　今天，CEPC探測(cè)器的概念設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。下一步需進(jìn)行更為艱巨的技術(shù)設(shè)計(jì)。有大量的技術(shù)難關(guān)需要一一攻克，有大量關(guān)鍵技術(shù)需要細(xì)致預(yù)研和測(cè)試。作為復(fù)雜對(duì)撞環(huán)境中的、大型多功能探測(cè)器系統(tǒng)，CEPC探測(cè)器的整體整合、穩(wěn)定性、其大統(tǒng)計(jì)量數(shù)據(jù)下的系統(tǒng)誤差控制更是巨大挑戰(zhàn)。我們需要對(duì)這些困難有充分地認(rèn)識(shí)，積極主動(dòng)地開(kāi)展人才培養(yǎng)和合作研究，為CEPC項(xiàng)目的最終實(shí)現(xiàn)而努力。

    * ABC= Arbor、BES 和CEPC

    （本文在“紀(jì)念北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)建成30周年有獎(jiǎng)?wù)魑幕顒?dòng)”中榮獲二等獎(jiǎng)。）