2018年初秋，天氣漸涼。
環(huán)形正負電子對撞機（CEPC）探測器概念設計報告基本成稿，并于9月初進行了國際評審。這是CEPC預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算法以及探測器性能分析，得到了國際專家的高度評價。Arbor算法是CEPC物理事例重建的核心，它抓住粒子簇射的樹狀結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一、整體、高效地將探測器記錄到的信息詮釋成末態(tài)可見粒子。某種程度上，它決定了CEPC探測器的智能高低，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
評審結(jié)束后，我踏上前往上海高粒度量能器（CALICE）工作會議的高鐵。窗外風景變換，我的思緒漸漸飄遠。
1999年，我考入清華大學生物醫(yī)學工程專業(yè)。2年后，我發(fā)現(xiàn)自己的個性更適合做基礎研究。借保研的機會，我轉(zhuǎn)入粒子物理方向。導師高原寧教授為了讓我對高能物理實驗多一些感性認識（用他的話來說“免得將來后悔”），特意為我聯(lián)系了到高能所的實習機會，參加2002年北京譜儀的夏季維修。我的主要工作是對譜儀主漂移室的高壓電源系統(tǒng)進行維護。
維護工作是枯燥的。我們需要把幾十公斤重的電源系統(tǒng)從支架上拆下來、清潔之后、一道一道地進行高壓掃描，確定每一道都能正常工作后，再將它安裝回去。北京正負電子對撞機安靜地俯臥在隔壁的環(huán)道中，仿佛沉眠著的猛獸。成千上萬噸的金屬和電纜，能點亮整個小鎮(zhèn)的電能，以及數(shù)以百計的專業(yè)人才，被高效地組織起來，對物質(zhì)世界的極微結(jié)構(gòu)進行精確的探索。這種決心和張力令我驚嘆、沉迷；粒子物理理論模型的簡潔優(yōu)美則讓我震撼不已。也許在那個時候，我和對撞機、和高能所的鏈接，就已種下了種子。
從博士階段開始，我的職業(yè)生涯圍繞著希格斯粒子和正負電子希格斯工廠展開。希格斯粒子是目前粒子物理標準模型中最基本、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子對撞機發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，這一偉大發(fā)現(xiàn)不僅證實了標準模型的全部粒子譜，也為粒子物理進一步的探索提供了全新的、強有力的探針。正負電子對撞機擁有極高的信噪比和精確可知的對撞初態(tài)，可在極高的精度下對希格斯粒子性質(zhì)進行測量，其預期精度可大大超過高亮度強子對撞機（HL-LHC）的極限精度。因此，高能物理學界積極探索建設基于正負電子對撞機的希格斯粒子工廠，其中包括了直線對撞機和環(huán)形對撞機。直線對撞機有基于超導高頻加速技術(shù)的國際直線對撞機（ILC）和基于雙束流加速技術(shù)的緊致對撞機（CLIC）；而環(huán)形對撞機則包括了我國高能物理學界倡議的環(huán)形正負電子對撞機（CEPC），以及歐洲核子中心倡議的未來環(huán)形對撞機（FCC）。
2008年，作為中法聯(lián)合培養(yǎng)博士生，我在清華大學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校進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，負責進行CEPC探測器的模擬工作。2014年初，我接受歐洲核子中心的邀請，以Fellow形式，對粒子流算法進行合作深入研究，同時參與CEPC預備概念設計報告研究工作。2015年回國，全時進行CEPC探測器模擬工作。
在歐洲的生活是我科研和生活中非常重要的經(jīng)歷。法國生活壓力較小，工作節(jié)奏較慢。這種環(huán)境有時會導致科研工作進展較慢。另一方面，慢節(jié)奏對科研的深入?yún)s是不無裨益的：人們可以長時間地調(diào)研、專心致志地思索科學問題，有利于對物理圖像整體性的、深入的理解；也有利于優(yōu)雅深刻地解決問題。我曾經(jīng)拿出數(shù)月的時間、進行分析的微調(diào)；在進行Arbor重建算法的架構(gòu)構(gòu)建之時，我干脆休了個假，回到家鄉(xiāng)，在整整一個月的時間內(nèi)，除了吃飯睡覺，就是跑步、構(gòu)思程序、調(diào)試代碼。法國科研隊伍中年輕人相對較少；年長的學者們往往對物理問題有著深刻的了解，他們幾乎無窮無盡的耐心也使得年輕人有機會得到很好的關(guān)心指導。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理一點點在頭腦中拼接，構(gòu)建出完整的物理圖像；工作的重點和著力點，也隨之一點點明確。
歐洲核子中心是另一種氛圍。它是一個巨大的蜂巢，集結(jié)著高能物理前沿的精銳。這里有各方面的一流專家；有各式各樣的學術(shù)活動；有蜂群般忙忙碌碌的人群；有配備齊全的、大小不等的實驗室。CERN的節(jié)奏是非常快的，人們?yōu)榱嗣鞔_的科研目標，專業(yè)化地將大塊的任務分解拆分，通過高效的管理和日常的交流例會，有力推動著各項研究。在這種環(huán)境下，較為成熟的科研人員可以做到如魚得水：無論硬件、軟件的支持還是合作對象，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；歐核中心內(nèi)部也擁有一種積極的競爭氛圍，有利于青年人才的脫穎而出。在這里，我結(jié)識了一大批年輕的充滿朝氣的科研人員，結(jié)識了一大批對正負電子希格斯工廠項目充滿熱情的國內(nèi)外專家。就我個人而言，我在法國較為完整地構(gòu)建了自己在正負電子希格斯工廠的知識體系；在CERN的經(jīng)歷，則讓我適應了大規(guī)模科研工作的組織，同時通過合作有效推動了科研工作。
由于希格斯粒子的質(zhì)量僅有125GeV，環(huán)形正負電子對撞機可以有效產(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，告訴我中國高能物理學界在積極探索建造CEPC的可能性，這讓我興奮不已。CEPC的建設，意味著中國能成為高能物理這一領(lǐng)域的世界領(lǐng)袖，將在接近半個世紀的時間長度內(nèi)主導這一領(lǐng)域的發(fā)展。其科學產(chǎn)出，技術(shù)輻射，教科文活動，將產(chǎn)生極為積極、極為深遠的影響。我在高能所加入了CEPC團隊，具體工作包括了CEPC探測器的設計、優(yōu)化，模擬軟件工具的開發(fā)，物理潛力的模擬分析，以及團隊建設。
整個中國的高能物理學界也在為了CEPC而興奮。除了高能所，全國各大高校也積極投入了CEPC的預備研究工作，同時國際高能物理學界也對CEPC項目表現(xiàn)出極大的興趣和高度支持。另一方面，中國高能物理學界在CEPC項目所需的技術(shù)和人才隊伍方面，還非常薄弱。相對于北京正負電子對撞機（BEPC），CEPC的質(zhì)心能量提高了兩個量級，其幾何尺寸提高了近三個量級，亮度將提高1–2個量級，其物理目標、對撞機設計、探測器需求都發(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)驗派上了用場。針對正負電子希格斯工廠的探測器設計和軟件工具，ILC合作組經(jīng)過多年研究給出了一整套方案；并就其關(guān)鍵技術(shù)進行了大量的預研，進行了大量的原型機建造、驗證以及測試。ILC的研究為CEPC相關(guān)研究提供了絕佳的出發(fā)點。另一方面，ILC和CEPC的對撞環(huán)境、束流結(jié)構(gòu)、質(zhì)心能量顯著不同，其物理目標也并不完全一致。這意味著我們的設計不能原樣照搬ILC的設計。我們需要重新審視所有子探測技術(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)化探測器設計和參數(shù)。
經(jīng)過5年的努力，我們完成了CEPC的探測器基線探測器設計和基線軟件工具，并就CEPC的物理潛力進行了深入分析。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，并在此基礎上開發(fā)了大量的軟件工具，完成了CEPC的基準軟件工具，目前軟件工具中自主開發(fā)的模塊接近3/4。我們就CEPC探測器上時間投影室的適用性問題、量能器系統(tǒng)的優(yōu)化及冷卻問題、主線圈磁場選擇、對撞機–探測器界面設計（MDI）等關(guān)鍵問題進行了深入研究，給出了結(jié)論；并在此基礎上完成了CEPC的基線探測器。在希格斯粒子性質(zhì)測量方面，CEPC的基線探測器同ILC探測器性能不相上下?？紤]到CEPC上可進行的、豐富的味物理測量，我們加強了CEPC探測器在粒子甄別方面的性能。在造價、功耗方面，CEPC探測器較之ILC探測器顯著下降。針對CEPC的基線設計，我們開展了國內(nèi)外的大量合作，就其中關(guān)鍵技術(shù)進行了積極的預研，并開展了原型樣機的研制和測試。
使用CEPC的基線探測器設計及基線軟件，我們對CEPC的物理潛力進行了深入細致的研究。分析表明，CEPC可將希格斯粒子性質(zhì)測到0.1%—1%的精度，超出HL-LHC達一個量級；CEPC上電弱物理的測量精度也將超過現(xiàn)有精度達至少一個量級。
在CEPC研究中，我認為最重要的是人才隊伍的培養(yǎng)和核心技術(shù)的掌握。在過去5年的工作中，通過積極的合作和人才的自主培養(yǎng)，我們訓練出一支掌握了大部分核心技術(shù)的人員隊伍。這使得我們掌握了CEPC探測器的設計及優(yōu)化的主動。
今天，CEPC探測器的概念設計已經(jīng)完成。下一步需進行更為艱巨的技術(shù)設計。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)需要細致預研和測試。作為復雜對撞環(huán)境中的、大型多功能探測器系統(tǒng)，CEPC探測器的整體整合、穩(wěn)定性、其大統(tǒng)計量數(shù)據(jù)下的系統(tǒng)誤差控制更是巨大挑戰(zhàn)。我們需要對這些困難有充分地認識，積極主動地開展人才培養(yǎng)和合作研究，為CEPC項目的最終實現(xiàn)而努力。
* ABC= Arbor、BES 和CEPC
（本文在“紀念北京正負電子對撞機建成30周年有獎征文活動”中榮獲二等獎。）
