近日，歐洲核子研究中心（CERN）公布了建造新型加速器的大膽設(shè)想。作為目前全球最大的對(duì)撞機(jī)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider, LHC）全長(zhǎng)27 km，而最新擬建的加速器長(zhǎng)度為L(zhǎng)HC的近4倍，能量更是高達(dá)LHC的6倍。

未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)的效果圖。 CERN 圖

坐落于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室CERN在1月15日發(fā)布的技術(shù)報(bào)告中給出了計(jì)劃藍(lán)圖。

報(bào)告披露了建造未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)（Future Circular Collider, FCC）的幾個(gè)初步設(shè)計(jì)方案。按照計(jì)劃，未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)將成為有史以來(lái)最強(qiáng)大的粒子粉碎機(jī)。不同類型對(duì)撞機(jī)的建造成本從90億歐元（約合人民幣689億元）到210億歐元不等。

CERN在“歐洲粒子物理戰(zhàn)略更新”（European Strategy for Particle Physics Update）中確定了若干優(yōu)先級(jí)領(lǐng)域，其中也包括這一公開(kāi)招標(biāo)項(xiàng)目。該計(jì)劃將在未來(lái)兩年內(nèi)推進(jìn)，預(yù)計(jì)會(huì)對(duì)粒子物理學(xué)從現(xiàn)在到本世紀(jì)下半葉的發(fā)展都產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

Gian Francesco Giudice說(shuō)道：“這是一次巨大的飛躍，就好像一場(chǎng)跳過(guò)火星，直奔天王星的星際旅行”。Gian Francesco Giudice是CERN理論部門的負(fù)責(zé)人，代表了戰(zhàn)略更新計(jì)劃的物理預(yù)備組實(shí)驗(yàn)室。

自從2012年LHC發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子以來(lái)，它還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何新的粒子。Giudice說(shuō)，這表明我們需要盡最大可能提高對(duì)撞機(jī)的工作能量。“今天，為了能破解大自然中最根本的奧秘，人類最大的希望就是通過(guò)這類大膽計(jì)劃去探索盡可能高的能量。”

作為歐洲戰(zhàn)略更新計(jì)劃的負(fù)責(zé)人，以色列特拉維夫大學(xué)的物理學(xué)家Halina Abramowicz表示，未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)的潛力“非常令人激動(dòng)”。她說(shuō)，未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)的潛力也將作為該計(jì)劃的一部分進(jìn)行深入開(kāi)發(fā)，并與其他擬議項(xiàng)目進(jìn)行比較。

CERN理事會(huì)包括來(lái)自CERN各成員國(guó)的科學(xué)家和政府代表，他們將就是否為該項(xiàng)目提供資金給出最終決定。

太燒錢？

然而并非所有人都認(rèn)為超級(jí)對(duì)撞機(jī)是一項(xiàng)很好的投資。德國(guó)法蘭克福高等研究院的理論物理學(xué)家Sabine Hossenfelder說(shuō)：“目前沒(méi)有理由讓人確信在對(duì)撞機(jī)能達(dá)到的更高能量區(qū)間內(nèi)一定會(huì)出現(xiàn)新的物理突破。這是每個(gè)人心中既害怕又逃避的噩夢(mèng)。”

Hossenfelder說(shuō)，將這一項(xiàng)目需要的大筆資金用來(lái)建造其他大型設(shè)施，也許可以獲得更大的回報(bào)。比如說(shuō)，在月球背面設(shè)置一臺(tái)大型射電望遠(yuǎn)鏡，或者在空間軌道上放置一個(gè)引力波探測(cè)器。就科學(xué)收益而言，這些方案都比對(duì)撞機(jī)更靠譜。

領(lǐng)導(dǎo)未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)的CERN物理學(xué)家Michael Benedikt說(shuō)，無(wú)論有什么預(yù)期成果，超級(jí)對(duì)撞機(jī)都有建造價(jià)值。“這類超大規(guī)模的建設(shè)項(xiàng)目可以有效推動(dòng)學(xué)術(shù)交流，連接世界各地的研究機(jī)構(gòu)。這些都是建設(shè)這類獨(dú)特科學(xué)項(xiàng)目的好理由。”

但Hossenfelder也承認(rèn)，其他大科學(xué)項(xiàng)目也可以套用類似論點(diǎn)。

幸福二選一

CERN的報(bào)告顯示，未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)的研究始于2014年，共有1300多人參與，其資金來(lái)自歐盟委員會(huì)的“地平線2020”科研資助計(jì)劃。該研究的大致計(jì)劃包括在現(xiàn)有的LHC隧道旁挖掘一條100 km長(zhǎng)的隧道。CERN表示，隧道和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的成本約為50億歐元。

新型對(duì)撞機(jī)將位于大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（藍(lán)色）附近長(zhǎng)約為100 km的環(huán)型隧道（紅色）中。 CERN 圖

這臺(tái)造價(jià)40億歐元的機(jī)器可以粉碎電子及其反物質(zhì)（正電子），所用正電子的能量可達(dá)365 GeV。借助它，研究人員能夠更精確地研究已知粒子，例如希格斯玻色子，獲得比質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（如LHC）更高的精度。該研究計(jì)劃將于2040年左右啟動(dòng)，屆時(shí)LHC及其計(jì)劃中的升級(jí)版本將會(huì)結(jié)束使命。

長(zhǎng)期以來(lái)，物理學(xué)家們一直計(jì)劃在LHC結(jié)束服役后建造一臺(tái)國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)（International Linear Collider, ILC），這種對(duì)撞機(jī)還可以粉碎電子和正電子。日本科學(xué)家在2012年宣布國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)將落戶日本。但因?yàn)長(zhǎng)HC在這段時(shí)間未能發(fā)現(xiàn)任何新現(xiàn)象，從而削弱了線性對(duì)撞機(jī)的必要性。因?yàn)閲?guó)際直線對(duì)撞機(jī)的設(shè)計(jì)能量只足夠用來(lái)研究希格斯玻色子，無(wú)法用于發(fā)現(xiàn)可能存在于更高能量的任何新粒子（也即未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)的目標(biāo)）。日本政府將在3月7日之前決定是否要主持建設(shè)國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)。

報(bào)告中提到的另一個(gè)選擇是耗資150億歐元，長(zhǎng)約100 km的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（也稱為強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）。這臺(tái)對(duì)撞機(jī)將建在同一條隧道內(nèi)，能夠達(dá)到10萬(wàn)GeV的能量，遠(yuǎn)高于LHC的最大能量（1.6萬(wàn)GeV）。但更可能的情況是，人們會(huì)先建造電子-正電子對(duì)撞機(jī)，在2055年之后才會(huì)建造質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。無(wú)論采用哪種方式，建造更高能量對(duì)撞機(jī)都是為了尋找新的基本粒子，這種粒子可能比已知的粒子更大，因此需要更高的能量才能產(chǎn)生。

強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)只比超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)（Superconducting Super Collider, SSC）長(zhǎng)15％。上世紀(jì)90年代，位于美國(guó)得克薩斯州的超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)由于成本原因在建造中途慘遭拋棄。由于技術(shù)上的進(jìn)步，特別是用于控制質(zhì)子在環(huán)中軌跡的磁鐵技術(shù)方面的突破， 這項(xiàng)計(jì)劃中的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)運(yùn)行能量有望達(dá)到當(dāng)時(shí)超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)的預(yù)計(jì)運(yùn)行能量的兩倍以上。

先建造低能量對(duì)撞機(jī)的一個(gè)動(dòng)因是因?yàn)檫€有許多研發(fā)工作有待完成。“如果我們明天就能準(zhǔn)備好一條長(zhǎng)達(dá)100 km的隧道，我們可以立即開(kāi)始建造一臺(tái)電子-正電子對(duì)撞機(jī)，因?yàn)槠渲猩婕暗降募夹g(shù)不是問(wèn)題，”Giudice說(shuō)。“但是，100 TeV的對(duì)撞機(jī)所需的磁鐵還需要進(jìn)行更多的研發(fā)工作。”

中國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)者

中科院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳表示，他并不懷疑CERN實(shí)現(xiàn)這個(gè)計(jì)劃的能力。他說(shuō)：“CERN有著不少成功的經(jīng)驗(yàn)，具有出色的技術(shù)能力，一流的管理能力，以及與政府的良好關(guān)系。”

王貽芳也在中國(guó)領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)類似的項(xiàng)目，他認(rèn)為兩者在科學(xué)目標(biāo)和技術(shù)可行性方面都是重合的。他特別指出，先進(jìn)行電子-正電子對(duì)撞再轉(zhuǎn)向強(qiáng)子對(duì)撞是自然選擇。

強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的額外成本主要來(lái)自對(duì)強(qiáng)大超導(dǎo)磁體和巨大液氦低溫系統(tǒng)的需求。強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)FCC計(jì)劃旨在開(kāi)發(fā)、構(gòu)建和部署基于超導(dǎo)合金Nb3Sn的16T磁體，該磁體的強(qiáng)度是LHC所用磁體的兩倍，但是原則上只會(huì)略提高工作溫度。另一方面，中國(guó)正在推動(dòng)更加先進(jìn)但也更激進(jìn)的鐵基超導(dǎo)體技術(shù)，這可能會(huì)使工作溫度進(jìn)一步提高。王貽芳說(shuō)：“如果能夠?qū)崿F(xiàn)20 K的超導(dǎo)工作溫度，就能節(jié)省一大筆開(kāi)支”。

即便粒子物理學(xué)家一致認(rèn)為有必要建造100 km長(zhǎng)的對(duì)撞機(jī)，但應(yīng)該建一臺(tái)還是兩臺(tái)尚無(wú)定論。無(wú)論哪一方的項(xiàng)目先行，都會(huì)取得搶占先機(jī)的優(yōu)勢(shì)。王貽芳相信哪臺(tái)對(duì)撞機(jī)建成之后都會(huì)向國(guó)際社會(huì)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，所以就將要完成的科學(xué)目標(biāo)而言，花落誰(shuí)家都一樣。

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