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(dá)LHC的6倍。

未來環(huán)形對撞機的效果圖。 CERN 圖

坐落于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲粒子物理實驗室CERN在1月15日發(fā)布的技術(shù)報告中給出了計劃藍(lán)圖。

報告披露了建造未來環(huán)形對撞機（Future Circular Collider, FCC）的幾個初步設(shè)計方案。按照計劃，未來環(huán)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（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)先級領(lǐng)域，其中也包括這一公開招標(biāo)項目。該計劃將在未來兩年內(nèi)推進(jìn)，預(yù)計會對粒子物理學(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(fù)責(zé)人，代表了戰(zhàn)略更新計劃的物理預(yù)備組實驗室。

自從2012年LHC發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子以來，它還沒有發(fā)現(xiàn)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?！?/p>

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

CERN理事會包括來自CERN各成員國的科學(xué)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？

然而并非所有人都認(rèn)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(xué)家Sabine Hossenfelder說：“目前沒有理由讓人確信在對撞機能達(dá)到的更高能量區(qū)間內(nèi)一定會出現(xiàn)新的物理突破。這是每個人心中既害怕又逃避的噩夢?！?/p>

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

領(lǐng)導(dǎo)未來環(huán)形對撞機的CERN物理學(xué)家Michael Benedikt說，無論有什么預(yù)期成果，超級對撞機都有建造價值?！斑@類超大規(guī)模的建設(shè)項目可以有效推動學(xué)術(shù)交流，連接世界各地的研究機構(gòu)。這些都是建設(shè)這類獨特科學(xué)項目的好理由?！?/p>

但Hossenfelder也承認(rèn)，其他大科學(xué)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(huán)形對撞機的研究始于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(xiàn)有的LHC隧道旁挖掘一條100 km長的隧道。CERN表示，隧道和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的成本約為50億歐元。

新型對撞機將位于大型強子對撞機（藍(lán)色）附近長約為100 km的環(huán)型隧道（紅色）中。 CERN 圖

這臺造價40億歐元的機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)子對撞機（如LHC）更高的精度。該研究計劃將于2040年左右啟動，屆時LHC及其計劃中的升級版本將會結(jié)束使命。

長期以來，物理學(xué)家們一直計劃在LHC結(jié)束服役后建造一臺國際直線對撞機（International Linear Collider, ILC），這種對撞機還可以粉碎電子和正電子。日本科學(xué)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(fā)現(xiàn)任何新現(xiàn)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(shè)計能量只足夠用來研究希格斯玻色子，無法用于發(fā)現(xiàn)可能存在于更高能量的任何新粒子（也即未來環(huán)形對撞機的目標(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(zhì)子-質(zhì)子對撞機（也稱為強子對撞機）。這臺對撞機將建在同一條隧道內(nèi)，能夠達(dá)到10萬GeV的能量，遠(yuǎn)高于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年之后才會建造質(zhì)子-質(zhì)子對撞機。無論采用哪種方式，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(chǎn)生。

強子對撞機只比超導(dǎo)超級對撞機（Superconducting Super Collider, SSC）長15％。上世紀(jì)90年代，位于美國得克薩斯州的超導(dǎo)超級對撞機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， 這項計劃中的強子對撞機運行能量有望達(dá)到當(dāng)時超導(dǎo)超級對撞機的預(yù)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(fā)工作有待完成。“如果我們明天就能準(zhǔn)備好一條長達(dá)100 km的隧道，我們可以立即開始建造一臺電子-正電子對撞機，因為其中涉及到的技術(shù)不是問題，”Giudice說?！暗?，100 TeV的對撞機所需的磁鐵還需要進(jìn)行更多的研發(fā)工作?！?/p>

中國的競爭者

中科院高能物理研究所所長王貽芳表示，他并不懷疑CERN實現(xiàn)這個計劃的能力。他說：“CERN有著不少成功的經(jīng)驗，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?！?/p>

王貽芳也在中國領(lǐng)導(dǎo)了一個類似的項目，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-正電子對撞再轉(zhuǎn)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(dǎo)磁體和巨大液氦低溫系統(tǒng)的需求。強子對撞機FCC計劃旨在開發(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(jìn)但也更激進(jìn)的鐵基超導(dǎo)體技術(shù)，這可能會使工作溫度進(jìn)一步提高。王貽芳說：“如果能夠?qū)崿F(xiàn)20 K的超導(dǎo)工作溫度，就能節(jié)省一大筆開支”。

即便粒子物理學(xué)家一致認(rèn)為有必要建造100 km長的對撞機，但應(yīng)該建一臺還是兩臺尚無定論。無論哪一方的項目先行，都會取得搶占先機的優(yōu)勢。王貽芳相信哪臺對撞機建成之后都會向國際社會開放實驗平臺，所以就將要完成的科學(xué)目標(biāo)而言，花落誰家都一樣。

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