210億歐元的大手筆：CERN擬建史上最強大對撞機

未來環形對撞機的效果圖。來源: CERN

撰文 | Davide Castelvecchi

歐洲核子研究中心有望建成史上最強大的對撞機。

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想。作為目前全球最大的對撞機，大型強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC）全長27 km，而最新擬建的加速器長度為LHC的近4倍，能量更是高達LHC的6倍。

坐落於瑞士日內瓦的歐洲粒子物理實驗室CERN在1月15日發布的技術報告中給出了計劃藍圖。

報告披露了建造未來環形對撞機（Future Circular Collider, FCC）的幾個初步設計方案。按照計劃，未來環形對撞機將成為有史以來最強大的粒子粉碎機。不同類型對撞機的建造成本從90億歐元（大約人民幣689億元）到210億歐元不等。

CERN在“歐洲粒子物理戰略更新”（European Strategy for Particle Physics Update）中確定了若乾優先級領域，其中也包括這一公開招標項目。該計劃將在未來兩年內推進，預計會對粒子物理學從現在到本世紀下半葉的發展都產生深遠影響。

Gian Francesco Giudice說道：“這是一次巨大的飛躍，就好像一場跳過火星，直奔天王星的星際旅行”。Gian Francesco Giudice是CERN理論部門的負責人，代表了戰略更新計劃的物理預備組實驗室。

自從2012年LHC發現希格斯玻色子以來，它還沒有發現任何新的粒子。Giudice說，這表明我們需要盡最大可能提高對撞機的工作能量。“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這類大膽計劃去探索盡可能高的能量。”

作為歐洲戰略更新計劃的負責人，以色列特拉維夫大學的物理學家Halina Abramowicz表示，未來環形對撞機的潛力“非常令人激動”。她說，未來環形對撞機的潛力也將作為該計劃的一部分進行深入開發，並與其他擬議項目進行比較。

CERN理事會包括來自CERN各成員國的科學家和政府代表，他們將就是否為該項目提供資金給出最終決定。

太燒錢？

然而並非所有人都認為超級對撞機是一項很好的投資。德國法蘭克福高等研究院的理論物理學家Sabine Hossenfelder說：“目前沒有理由讓人確信在對撞機能達到的更高能量區間內一定會出現新的物理突破。這是每個人心中既害怕又逃避的噩夢。”

Hossenfelder說，將這一項目需要的大筆資金用來建造其他大型設施，也許可以獲得更大的回報。比如說，在月球背面設置一台大型射電望遠鏡，或者在空間軌道上放置一個引力波探測器。就科學收益而言，這些方案都比對撞機更靠譜。

領導未來環形對撞機的CERN物理學家Michael Benedikt說，無論有什麽預期成果，超級對撞機都有建造價值。“這類超大規模的建設項目可以有效推動學術交流，連接世界各地的研究機構。這些都是建設這類獨特科學項目的好理由。”

但Hossenfelder也承認，其他大科學項目也可以套用類似論點。

幸福二選一

CERN的報告顯示，未來環形對撞機的研究始於2014年，共有1300多人參與，其資金來自歐盟委員會的“地平線2020”科研資助計劃。該研究的大致計劃包括在現有的LHC隧道旁挖掘一條100 km長的隧道。CERN表示，隧道和相關基礎設施的成本約為50億歐元。

新型對撞機將位於大型強子對撞機（藍色）附近長約為100 km的環型隧道（紅色）中。來源: CERN

這台造價40億歐元的機器可以粉碎電子及其反物質（正電子），所用正電子的能量可達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，獲得比質子-質子對撞機（如LHC）更高的精度。該研究計劃將於2040年左右啟動，屆時LHC及其計劃中的升級版本將會結束使命。

長期以來，物理學家們一直計劃在LHC結束服役後建造一台國際直線對撞機（International Linear Collider, ILC），這種對撞機還可以粉碎電子和正電子。日本科學家在2012年宣布國際直線對撞機將落戶日本。但因為LHC在這段時間未能發現任何新現象，從而削弱了線性對撞機的必要性。因為國際直線對撞機的設計能量隻足夠用來研究希格斯玻色子，無法用於發現可能存在於更高能量的任何新粒子（也即未來環形對撞機的目標）。日本政府將在3月7日之前決定是否要主持建設國際直線對撞機。

報告中提到的另一個選擇是耗資150億歐元，長約100 km的質子-質子對撞機（也稱為強子對撞機）。這台對撞機將建在同一條隧道內，能夠達到10萬GeV的能量，遠高於LHC的最大能量（1.6萬GeV）。但更可能的情況是，人們會先建造電子-正電子對撞機，在2055年之後才會建造質子-質子對撞機。無論採用哪種方式，建造更高能量對撞機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生。

強子對撞機隻比超導超級對撞機（Superconducting Super Collider, SSC）長15％。上世紀90年代，位於美國得克薩斯州的超導超級對撞機由於成本原因在建造中途慘遭拋棄。由於技術上的進步，特別是用於控制質子在環中軌跡的磁鐵技術方面的突破， 這項計劃中的強子對撞機運行能量有望達到當時超導超級對撞機的預計運行能量的兩倍以上。

先建造低能量對撞機的一個動因是因為還有許多研發工作有待完成。“如果我們明天就能準備好一條長達100 km的隧道，我們可以立即開始建造一台電子-正電子對撞機，因為其中涉及到的技術不是問題，”Giudice說。“但是，100 TeV的對撞機所需的磁鐵還需要進行更多的研發工作。”

中國的競爭者

中科院高能物理研究所所長王貽芳表示，他並不懷疑CERN實現這個計劃的能力。他說：“CERN有著不少成功的經驗，具有出色的技術能力，一流的管理能力，以及與政府的良好關係，”

王貽芳也在中國領導了一個類似的項目，他認為兩者在科學目標和技術可行性方面都是重合的。他特別指出，先進行電子-正電子對撞再轉向強子對撞是自然選擇。

強子對撞機的額外成本主要來自對強大超導磁體和巨大液氦低溫系統的需求。強子對撞機FCC計劃旨在開發、構建和部署基於超導合金Nb3Sn的16T磁體，該磁體的強度是LHC所用磁體的兩倍，但是原則上只會略提高工作溫度。另一方面，中國正在推動更加先進但也更激進的鐵基超導體技術，這可能會使工作溫度進一步提高。王貽芳說：“如果能夠實現20 K的超導工作溫度，就能節省一大筆開支”。

即便粒子物理學家一致認為有必要建造100千米長的對撞機，但應該建一台還是兩台尚無定論。無論哪一方的項目先行，都會取得搶佔先機的優勢。王貽芳相信哪台對撞機建成之後都會向國際社會開放實驗平台，所以就將要完成的科學目標而言，花落誰家都一樣。

原文以Next-generation LHC: CERN lays out plans for