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撰文 戚译引 1 月 15 日，欧洲核子研究中心（CERN）的物理学家们发布了新一代对撞机的概念设计报告。它被命名为未来环形对撞机（Future Circular Collider，FCC），轨道长度达到 100 千米，相当于北京五环的周长。FCC 的能量将提升至全新水平，一旦建成，它将带领我们进入一个全新的物理领域。 在建造方案上，FCC 大致分为两个阶段：先建一台轻子对撞机，然后在此基础上改造成强子对撞机。在预算方面，前期建设需要 90 亿欧元，后期的升级还需要约 150 亿欧元，总计高达 240 亿欧元。 轻子对撞机：接过 LHC 的班 FCC 艺术概念图 | 图片来源：CERN 轻子对撞机预计耗资 90 亿欧元，其中 50 亿欧元用于修建这条长 100 公里的隧道及其附带的基础设施。如果一切顺利，它将于 2040 年左右开始运行，正好接过大型强子对撞机（LHC）的班。 轻子对撞机可完成正负电子对撞实验，能量超过历史上所有同类实验。正负电子对撞实验将让物理学家得以深入研究希格斯玻色子的衰变。LHC 主要使用质子进行对撞，但由于质子由夸克和胶子构成，对撞会产生许多“杂质”；相比之下，FCC 的正负电子对撞也能产生希格斯玻色子，而且产生的数据更加纯净，因为电子和正电子属于基本粒子，不能被分割为其他的粒子。 希格斯玻色子的发现填补了粒子物理标准模型（Standard Model）的最后一块拼图，但物理学家还希望实现新的突破。标准模型无法解释为什么引力如此微弱、为什么中微子具有质量，也无法解释暗物质和反物质相关的问题。如果 FCC 能对希格斯玻色子进行深入研究，甚至发现标准模型之外的新粒子，这些问题无疑将得到更好的解答。 未来升级改造方案 FCC 规划方案示意图，图片上方为 LHC 现有的轨道，周长约 27 千米，下方大圆为 FCC 轨道。| 图片来源：CERN 在此基础上建立的强子对撞机可对质子和重离子进行加速对撞，能量将达到 100 万亿电子伏特（TeV），为 LHC 的的 7 倍，亮度达到 LHC 的 30 倍。实验将产生数十亿计的希格斯玻色子和顶夸克，为研究罕见衰变事件和味物理学（flavor physics）提供新的机会。通过这类实验，物理学家还能在更高的能量级别研究希格斯玻色子和规范玻色子的相互作用，深入探索电弱对称性破缺的机制。此外，FCC 还可能进行强子和轻子的对撞实验，探索夸克和胶子的相互作用。 这次升级大约需要 150 亿欧元，主要用于配置超导磁体和冷却系统，预计在 2050 年代后期接入原先轻子对撞机的轨道。CERN 曾经实施过这样的施工方案，LHC 的隧道原本就属于它的“前任”大型正负电子对撞机（Large Electron-Positron collider，LEP）。LEP 于 1989-2001 年间运行，对 W 及 Z 玻色子进行了深入的研究。 CERN 各个对撞机的设计建造时间表。LHC 已经于去年 12 月开始为期两年的停机升级，为高亮度 LHC（HL-LHC）项目打下基础。| 图片来源：CERN 花这么多钱值不值？ 不是所有人都看好这项计划。德国法兰克福高等研究院（ Frankfurt Institute for Advanced Studies）的理论物理学家 Sabine Hossenfelder 告诉《自然》（Nature）：“没有理由认为在这样一个对撞机的能量区间里会有新的物理学。这是一个噩梦，每个人都心里有数，但是都不想谈。”她认为应该把资金投入其他的大型研究设备，例如在月球背面安装射电望远镜，或者发射围绕地球运行的引力波探测器，它们带来的科学上的回报会比对撞机更加可靠。 CERN 的物理学家、FCC 研究项目领导者 Michael Benedikt 认为，即使不考虑其对科学的直接贡献，超级对撞机也值得建造。“这类大型工程和项目能够大大促进网络协作，让来自不同国家和地区的研究机构建立联系。这一切构成了推进这类独特科研项目的一个非常好的理由。”今天我们熟悉的互联网就诞生于 CERN。但 Hossenfelder 指出，同样的论证也适用于其他大型科学项目。 《科学》（Science）特约撰稿人 Adrian Cho 指出，当 LHC 于 2010 年开始收集数据的时候，物理学家们期望它还能找到除希格斯玻色子以外的新粒子，以打破几十年来标准模型一成不变的局势，但是这一期望并未实现；“如果没有作出其他的发现，物理学家们要想说服政府投入几十亿美元，只为了研究希格斯玻色子，这可能会遇到一些困难”。 在上世纪90年代，美国得克萨斯州的超导超级对撞机（Superconducting Super Collider，SSC）就因为成本问题被中途放弃，当时隧道已经进入施工阶段。而 FCC 强子对撞机的轨道长度比 SSC 还要多出 15%，能量将达到 SSC 的 2 倍。 中国和日本也在计划建造自己的大型对撞机，以对希格斯玻色子进行深入研究。中国科学院高能物理研究所于 2018 年 11 月 28 日召开了“高能环形正负电子对撞机关键技术研发和验证 ”项目启动会；而日本物理学家希望建造一台长 20km 的直线加速器，日本政府将在今年 3 月作出决策。 参考来源： |
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