210亿欧元的大手笔：CERN拟建史上最强大对撞机

天の川

欧洲核子研究中心有望建成史上最强大的对撞机。

　　近日，欧洲核子研究中心（CERN）公布了建造新型加速器的大胆设想。作为目前全球最大的对撞机，大型强子对撞机（Large Hadron Collider， LHC）全长27 km，而最新拟建的加速器长度为LHC的近4倍，能量更是高达LHC的6倍。



未来环形对撞机的效果图。

　　坐落于瑞士日内瓦的欧洲粒子物理实验室CERN在1月15日发布的技术报告中给出了计划蓝图。

　　报告披露了建造未来环形对撞机（Future Circular Collider， FCC）的几个初步设计方案。按照计划，未来环形对撞机将成为有史以来最强大的粒子粉碎机。不同类型对撞机的建造成本从90亿欧元（约合人民币689亿元）到210亿欧元不等。

　　CERN在“欧洲粒子物理战略更新”（European Strategy for Particle Physics Update）中确定了若干优先级领域，其中也包括这一公开招标项目。该计划将在未来两年内推进，预计会对粒子物理学从现在到本世纪下半叶的发展都产生深远影响。

　　Gian Francesco Giudice说道：“这是一次巨大的飞跃，就好像一场跳过火星，直奔天王星的星际旅行”。Gian Francesco Giudice是CERN理论部门的负责人，代表了战略更新计划的物理预备组实验室。

　　自从2012年LHC发现希格斯玻色子以来，它还没有发现任哔~的粒子。Giudice说，这表明我们需要尽最大可能提高对撞机的工作能量。“今天，为了能破解大自然中最根本的奥秘，人类最大的希望就是通过这类大胆计划去探索尽可能高的能量。”

　　作为欧洲战略更新计划的负责人，以色列特拉维夫大学的物理学家Halina Abramowicz表示，未来环形对撞机的潜力“非常令人激动”。她说，未来环形对撞机的潜力也将作为该计划的一部分进行深入开发，并与其他拟议项目进行比较。

　　CERN理事会包括来自CERN各成员国的科学家和政府代表，他们将就是否为该项目提供资金给出最终决定。

　　太烧钱？

　　然而并非所有人都认为超级对撞机是一项很好的投资。德国法兰克福高等研究院的理论物理学家Sabine Hossenfelder说：“目前没有理由让人确信在对撞机能达到的更高能量区间内一定会出现新的物理突破。这是每个人心中既害怕又逃避的噩梦。”

　　Hossenfelder说，将这一项目需要的大笔资金用来建造其他大型设施，也许可以获得更大的回报。比如说，在月球背面设置一台大型射电望远镜，或者在空间轨道上放置一个引力波探测器。就科学收益而言，这些方案都比对撞机更靠谱。

　　领导未来环形对撞机的CERN物理学家Michael Benedikt说，无论有什么预期成果，超级对撞机都有建造价值。“这类超大规模的建设项目可以有效推动学术交流，连接世界各地的研究机构。这些都是建设这类独特科学项目的好理由。”

　　但Hossenfelder也承认，其他大科学项目也可以套用类似论点。

　　幸福二选一

　　CERN的报告显示，未来环形对撞机的研究始于2014年，共有1300多人参与，其资金来自欧盟委员会的“地平线2020”科研资助计划。该研究的大致计划包括在现有的LHC隧道旁挖掘一条100 km长的隧道。CERN表示，隧道和相关基础设施的成本约为50亿欧元。



新型对撞机将位于大型强子对撞机（蓝色）附近长约为100 km的环型隧道（红色）中。

　　这台造价40亿欧元的机器可以粉碎电子及其反物质（正电子），所用正电子的能量可达365 GeV。借助它，研究人员能够更精确地研究已知粒子，例如希格斯玻色子，获得比质子-质子对撞机（如LHC）更高的精度。该研究计划将于2040年左右启动，届时LHC及其计划中的升级版本将会结束使命。

　　长期以来，物理学家们一直计划在LHC结束服役后建造一台国际直线对撞机（International Linear Collider， ILC），这种对撞机还可以粉碎电子和正电子。日本科学家在2012年宣布国际直线对撞机将落户日本。但因为LHC在这段时间未能发现任哔~现象，从而削弱了线性对撞机的必要性。因为国际直线对撞机的设计能量只足够用来研究希格斯玻色子，无法用于发现可能存在于更高能量的任哔~粒子（也即未来环形对撞机的目标）。日本政府将在3月7日之前决定是否要主持建设国际直线对撞机。

　　报告中提到的另一个选择是耗资150亿欧元，长约100 km的质子-质子对撞机（也称为强子对撞机）。这台对撞机将建在同一条隧道内，能够达到10万GeV的能量，远高于LHC的最大能量（1.6万GeV）。但更可能的情况是，人们会先建造电子-正电子对撞机，在2055年之后才会建造质子-质子对撞机。无论采用哪种方式，建造更高能量对撞机都是为了寻找新的基本粒子，这种粒子可能比已知的粒子更大，因此需要更高的能量才能产生。

　　强子对撞机只比超导超级对撞机（Superconducting Super Collider， SSC）长15%。上世纪90年代，位于美国得克萨斯州的超导超级对撞机由于成本原因在建造中途惨遭抛弃。由于技术上的进步，特别是用于控制质子在环中轨迹的磁铁技术方面的突破， 这项计划中的强子对撞机运行能量有望达到当时超导超级对撞机的预计运行能量的两倍以上。

　　先建造低能量对撞机的一个动因是因为还有许多研发工作有待完成。“如果我们明天就能准备好一条长达100 km的隧道，我们可以立即开始建造一台电子-正电子对撞机，因为其中涉及到的技术不是问题，”Giudice说。“但是，100 TeV的对撞机所需的磁铁还需要进行更多的研发工作。”

　　中国的竞争者

　　中科院高能物理研究所所长王贻芳表示，他并不怀疑CERN实现这个计划的能力。他说：“CERN有着不少成功的经验，具有出色的技术能力，一流的管理能力，以及与政府的良好关系，”

　　王贻芳也在中国领导了一个类似的项目，他认为两者在科学目标和技术可行性方面都是重合的。他特别指出，先进行电子-正电子对撞再转向强子对撞是自然选择。

　　强子对撞机的额外成本主要来自对强大超导磁体和巨大液氦低温系统的需求。强子对撞机FCC计划旨在开发、构建和部署基于超导合金Nb3Sn的16T磁体，该磁体的强度是LHC所用磁体的两倍，但是原则上只会略提高工作温度。另一方面，中国正在推动更加先进但也更激进的铁基超导体技术，这可能会使工作温度进一步提高。王贻芳说：“如果能够实现20 K的超导工作温度，就能节省一大笔开支”。

　　即便粒子物理学家一致认为有必要建造100 km长的对撞机，但应该建一台还是两台尚无定论。无论哪一方的项目先行，都会取得抢占先机的优势。王贻芳相信哪台对撞机建成之后都会向国际社会开放实验平台，所以就将要完成的科学目标而言，花落谁家都一样。