这个“洞”打在哪，可是很有讲究的！物理学家曾预言宇宙中有一种基本粒子叫“希格斯玻色子”。这种粒子能解释物质世界的质量之源，因此科学家叫它“上帝粒子”（God Particle）。也因为它太难找到，被科学家戏称为“该死的粒子”（Goddamn Particle）[1]。
从提出到发现，寻找上帝粒子耗费了人类近半个世纪的时间。2013年，欧洲核子中心宣布，在大型强子对撞机（LHC）上确认发现了希格斯玻色子[2]。这个发现为揭开宇宙的奥秘拉开了序幕。科学家首先想做的，就是希望精确测量希格斯玻色子。
图1：希格斯玻色子(Higgs boson)赋予其他基本粒子以质量。图片来源：Roland E. Allen [3]
精确测量上帝粒子需要建造新的大型装置。为此，日本科学家在积极推进建造他们主导的国际直线加速器（ILC），欧洲人在计划建造未来环形对撞机（FCC）。为了抢占科技前沿，中国科学家也提出了由我国主导的环形正负电子对撞机（CEPC）项目。这些项目能以超过LHC至少一个量级的精度对上帝粒子进行精确测量，进而揭示更基础更深刻的物理规律。
图2：LHC是人类迄今建造的最大最复杂的科学装置，是一种将质子加速对撞的高能物理实验设备。图片来源：CERN
CEPC有多大？
建成后的CEPC周长将达到100千米，远远超过LHC的27千米，将取代LHC成为有史以来最强大的科学装置[4]。以CEPC为中心，将形成一个大型社区，科研和服务设施可满足至少3000名科研人员的需求。CEPC的日常能耗需要一座百兆瓦量级的中型电站供电。
整个CEPC设施可以分为地下和地表两部分。
CEPC的地下部分十分庞大。它的主体是一个截面直径约6.5米、周长约100千米的环形隧道，相当于北京地铁10号线隧道的近两倍长。在CEPC的环形隧道中，要建2~4个跨度30~40米的地下实验大厅，还包括一些附属洞室、集水井泵房和紧急避难室，就像地铁隧道中的地铁站一样。地下实验大厅通过直径约为20米的竖井与地表进行联系——对撞机和探测器可以经过竖井运进地下隧道进行安装作业，实验人员也可以通过竖井进出隧道。
图3：CEPC总平面布置示意图，CEPC的隧道位于地下50~100米深处，通过竖井与地面联系。图片来源：中国科学院高能物理研究所特别供图
CEPC的地表部分预计占地300公顷以上（约5000亩）。什么概念呢？这相当于整个清华大学的校园面积。地表部分包括各种工作、生活和服务设施，如办公会议场所、招待所、医疗急救、消防抢险设施，还有相应的变电站、配电站、冷却和通风系统等。
按照项目计划，CEPC的建设和运行年限大约是15~20年，工程耗资约360亿元人民币，其中的30%将由国外合作单位贡献。
这么大一个洞，打在哪里好？
CEPC项目对选址的要求十分严格，要充分考虑地震风险、岩土性质、水文气象等条件。在哪“打洞”很有讲究。
CEPC要避开高地震风险的地区，选址地的地层要满足一定的稳定性。要不然哪天发生地震，这个巨大工程岂不是功亏一篑？所以，需要考虑地震风险，判定地层是否存在地震液化问题。项目要求，选址地发生地震时的烈度要足够小，建筑的抗震设防烈度不能大于7度。
图4：秦皇岛市抚宁县场址示意图,小红圈是50km周长的方案，大红圈是100km周长的方案。图片来源：中国科学院高能物理研究所特别供图
为了不影响地面建筑，节省占地面积，CEPC要建在地下50~100米深处，所以选址地区的岩土构造及岩性情况也要良好。比如，花岗岩岩性的地层稳定性远优于砂砾岩和石灰岩，如果能在整体花岗岩基层上进行隧道建设，就可以大大节约隧道的基建经费。
选址还要考虑当地的水文气象条件。气候条件要相对稳定，才能满足实验对空气洁净度和温湿度的要求。隧道内湿度不能高，以保证设备正常运行。同时，水文方面要充分考虑地表水和地下水的分布，减少建设风险和造价。还要防止加速器造成的放射性活化物质漏入地下水。
考虑隧道的大跨度和埋深，选址地区最好还能相对平坦，没有较深的沟壑和地下暗河，以减少项目建设的工程量，降低成本。
除了自然条件上的要求，选址对当地的基础设施和公共服务设施也有一定的要求。环境优美、交通方便、人文条件好、国际化基础好的地区，可以更好地吸引国内外的顶尖人才，才能更充分地利用CEPC项目引入的智力资源，形成一个高校、研究所和科技产业密集的国际科学城。
图5：延安市黄陵县南部选址区。图片来源：中国科学院高能物理研究所特别供图
条件这么苛刻，候选地址有哪些？
中国科学院高能物理研究所的科学家从2013年开始，就在北方和南方分别展开了CEPC的初步选址工作。
北方地区的相对优势是地势平坦，地层状态稳定。高能所先考察了河北省张家口市、秦皇岛市抚宁县和天津市宝坻区，后来还考察了陕西秦川、延安市黄陵县，河南信阳等地。
这些北方地区的经济相对发达，城市发展前景良好，离北京较近，交通便利。特别是一些地方还有较为完善的地质勘探资料可供参考。例如秦皇岛市，中广核集团为建设秦皇岛核电站就曾详细勘探过该地。
图6：广东深汕特别合作区选址100km方案。图片来源：中国科学院高能物理研究所特别供图
南方地区的优势是经济发展水平高，环境优美，地方政府的支持也有利于吸引科技人才。高能所在南方考察了广东省梅州市、深汕特别合作区等多个候选地点。这里的优势是地方政府对发展国家大科学中心的重视。大亚湾中微子实验、中国（东莞）散裂中子源、江门中微子实验，这些都是广东省与高能所成功的合作先例。
相对而言，南方的沟壑、山丘和河道较多，丘陵地貌不够平坦。不过对中国强大的基建能力而言，没有什么不可克服的困难。
最终选址的确定还需要等国家正式批准CEPC立项。不管CEPC最终在哪里落户，作为一个超大型的科研中心，CEPC将大幅提高选址地的科技实力，推动地区经济发展，促进众多相关产业的技术进步。
建造CEPC是一个巨大的挑战，也蕴藏着无法估量的潜在回报——它会极大地提升中国科技创新能力和国际竞争力，带领中国走向世界高能物理的前沿；也将为物理学基础研究打开一个全新的窗口。
感谢中科院高能物理研究所阮曼奇老师对本文的斧正
（编辑：明天）
题图来源：123RF
参考文献：
- Leon M. Lederman《The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?》, ISBN: 0-385-31211-3
- Cian O’Luanaigh, New Results Indicate that New Particles is a Higgs Boson, 2013, available at http://home.cern/about/updates/2013/03/new-results-indicate-new-particle-higgs-boson, Last updated 27 Jan 2015
- Allen, R. E. The Higgs Bridge. Phys. Scr. 89, 18001 (2013).
- 中科院高能物理所, 《CEPC初步概念设计方案》, 2015, http://cepc.ihep.ac.cn/preCDR/volume.html