欧洲核子研究中心宣布新型大型粒子对撞机计划：规模更大，功能更强

拟议中的新对撞机将占据欧洲核子研究中心现有大型强子对撞机(蓝色)附近一个100公里长的环形轨道(红色)。来源：欧洲核子研究中心

近日，欧洲核子研究中心(CERN)宣布了一个大胆的计划：建造一个更大的新加速器，这个新型加速器长度几乎是欧洲核子研究中心27公里长的大型强子对撞机(LHC)的4倍(大型强子对撞机目前是世界上最大的强子对撞机)，功率也是LHC的6倍。

位于瑞士日内瓦郊外的欧洲粒子物理实验室在1月15日的一份技术报告中概述了这一计划。

计划为这个有史以来最强大的粒子加速器：未来环形对撞机(Future Circular Collider, FCC)提供了若干个初步设计，这些初步设计涉及到几个不同类型的对撞机，成本从90亿欧元到210亿欧元不等。这是该实验室在未来两年设定优先级过程中的开标，该过程被称为粒子物理学的欧洲战略更新(European Strategy Update for Particle Physics)，它对该领域的影响会持续到本世纪下半叶。

“这是一个巨大的飞跃，就像是在计划一次不是去火星，而是去天王星的旅行一样，”CERN的理论部门负责人吉安·弗朗西斯科·久迪斯(Gian Francesco Giudice)说。

自从2012年大型强子对撞机(LHC)历史性地发现了希格斯玻色子(Higgs boson)粒子之后，LHC再也没有发现过新的粒子。Giudice说，这表明我们需要将对撞机的能量推到尽可能高的水平，“今天，通过大胆的项目来探索可能的最高能量，是我们能在最基本的层面上破解自然谜题的最大希望。”

特拉维夫大学(Tel Aviv University)负责欧洲战略进程的物理学家哈丽娜•阿布拉莫维茨(Halina Abramowicz)表示，FCC这种机器的潜力“非常令人兴奋”。她补充说，FCC的潜力将被深入探讨，并与其他拟议中的项目进行比较。

欧洲核子研究委员会(包括来自成员国的科学家和政府代表)将会对是否资助该项目这个问题做出最终决定。

太昂贵的?

并不是每个人都相信超级对撞机是一项好的投资。德国法兰克福高级研究所的理论物理学家Sabine Hossenfelder说：“没有理由认为这样的对撞机能达到新的能量状态中存在新的物理。这是每个人心中都有但都不想说出来的噩梦。”

Hossenfelder说，计划所花费的大笔资金花在其他类型的大型设施或者可能会更好。例如，把一个大型射电望远镜放置在月球背面，或者在月球轨道上放置一个引力波探测器，这些选择就科学回报而论将会是更安全的赌注。

但领导FCC报告的欧洲核子研究中心物理学家迈克尔•贝内迪克特(Michael Benedikt)表示，无论预期的科学结果如何，这样的设施都值得建设。“这种大规模的努力和项目可以将跨国界、跨国家的研究机构连接起来，构成研究机构网络。所有这些都为推动这些独特的科学项目提供了很好的理由。”

尽管Hossenfelder补充说类似的理由也适用于其他大型科学项目。

几个选项

根据欧洲核子研究中心(CERN)的数据，FCC的这项研究始于2014年，有1300多名参与者参与，研究资金来自欧盟委员会(European Commission)的“地平线2020”(Horizon 2020)研究资助计划。欧洲核子研究中心表示，研究描绘的大多数场景都涉及在现有大型强子对撞机的隧道旁边挖一条100公里长的隧道，挖掘隧道的成本和地面相关基础设施大约会花费50亿欧元。

建在这样的隧道中的40亿欧元机器可以粉碎电子和反物质对应物正电子，能量高达365千兆电子伏。这种碰撞将使研究人员能够以比质子对撞机(例如LHC)更高的精度来研究希格斯玻色子(Higgs boson)等已知粒子。这个新的研究项目将在2040年左右才会开始，那时LHC项目(包括计划中的升级版本)将会走到尽头。

长期以来，物理学家们一直计划在大型强子对撞机(LHC)之后建造一个国际直线对撞机(ILC)，它也将粉碎电子和正电子。日本科学家早2012年曾经该计划过建造一个，但大型强子对撞机未能发现任何无法预测的现象导致了建造直线对撞机的可能性降低。这是因为ILC只会达到足够研究希格斯粒子的能量，而不会像欧洲核子研究中心计划中的对撞机那样会达到可能发现新粒子存在的更高能量。日本政府将会在3月7日前决定是否建造国际直线对撞机(ILC)。

报告中概述到的另一种选择是耗资150亿欧元，规模达100公里的质子对撞机(也称为强子对撞机)，这个质子对撞机建于同一隧道中，能量可能达到1000000亿电子伏特 ，远远高于大型强子对撞机160000亿电子伏特的上限。但更有可能出现的情况会是先制造电子与正电子对撞机，然后在20世纪50年代再制造质子对撞机。不过不管怎样，高能量的机器将会寻找全新的粒子，这些新粒子可能比已知的粒子质量更大，因此需要更多的能量才能产生。

强子对撞机只比超导超级对撞机长15%，超导超级对撞机是得克萨斯州的一个项目，在上世纪90年代，虽然当时该项目的隧道已经在建设中，但由于成本问题，该项目还是被放弃了。不过由于技术的进步，特别是在使质子在环上路径弯曲的磁铁方面，它现在将可以以两倍多的能量来粉碎这些粒子。

许多研究和开发工作仍有待完成，所以首先制造低能机器可能是有意义的。Giudice说：“如果我们明天就能准备好一条100公里长的隧道，我们就可以马上开始建造一个电子正电子对撞机，因为这项技术基本上已经存在了。但对于100兆电子伏对撞机所需的磁铁，我们还需要更多的研究和开发。”

中国的竞争对手

北京中国高能物理研究所(IHEP)所长王贻芳表示，他不怀疑该实验室能够完成这样一个项目。他表示：“欧洲核子研究中心有着悠久的成功历史。它拥有技术能力、管理技能以及与政府的良好关系。”

王所长在中国也领导着一个类似的项目，他说，令人放心的是，这两项努力在科学目标和技术可行性方面基本上得出了相同的结论。特别是首先进行电子正电子碰撞，然后再进行强子碰撞的做法，这是一种很自然的选择。

强子对撞机增加的大部分成本将来自对强大的超导磁体和巨大的氦低温系统需求(以保持对撞机低温)。强子对撞FCC的磁体基于超导合金Nb3Tn的16特斯拉磁体，该强子对撞FCC的功率将会是LHC的两倍，但原则上要求的温度会稍微高一点。而另一方面，中国正在推动更先进、但证明程度更低的铁基超导体发展，这种超导体可能会把温度推得更高。王说：“如果你能在20开氏度下完成这项工作，你就能省下一大笔钱了。”

即使粒子物理学家们同意世界需要一台100公里的对撞机，但目前还不清楚这样的对撞机是否需要有两台。无论哪一方先开展这样的项目，另一方的努力都会随即变得白费。但王所长说，这两种对撞机都将会向更广泛的国际社会开放实验，所以从科学角度来说，哪一个最终先建成并不重要。