CERN 的下一個大專案

大型強子對撞機 (LHC) 是世界上最大的粒子加速器。但是，經過 10 年的執行，現在是時候考慮下一步了。隨著一項已批准的升級——高亮度 LHC——以及未來可能的對撞機的設計研究被提上議程，人們正集中精力開發新技術。

2008 年 9 月，當物理學家和工程師慶祝大型強子對撞機 (LHC) 中的第一束粒子束時，CERN 控制室裡香檳酒瓶塞砰然作響。這是一個激動人心的科學十年的開始，其中最引人注目的是希格斯玻色子的發現。LHC 證實了粒子物理學標準模型的許多預測，但也提出了令人不安的問題——例如，為什麼希格斯玻色子如此輕，以及為什麼沒有超對稱的跡象。十年過去了，物理學家感到越來越大的壓力，要找到這些問題的答案。下一代粒子對撞機可能是揭示標準模型之外物理學所需要的。

CERN 正在處理這個問題。一項升級已經在進行中，將於 2026 年投入執行：高亮度 LHC (HL-LHC) 將安裝在 LHC 隧道中，但配備了創新的磁鐵和射頻 (RF) 腔，這將大大提高亮度（即測量的統計資料）。能量將與 LHC 的能量（14 萬億電子伏特 [TeV]）相同，計劃是使用 HL-LHC 將 LHC 的執行壽命延長至 2040 年。

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但科學界已經在展望 2040 年以後對撞機物理學的未來，並且關於在 CERN 建造環形對撞機的三項提案已擺在桌面上。未來環形對撞機 (FCC) 有兩種選擇，它們可以安裝在新的 100 公里長的隧道中：輕子-輕子對撞機或強子-強子對撞機，能量為 100 TeV。或者，在較小的規模上，高能 LHC 可以在現有的 LHC 隧道中執行，但使用新的磁鐵達到 27 TeV 的能量。“如果一切順利，這可能是一段漫長的旅程——幾代人的旅程，”FCC 國際顧問委員會主席兼 ETH 物理學教授 Günther Dissertori 評論道。

一個新的大型環形對撞機是 CERN 許多人的首選。輕子和強子對撞機可以一個接一個地實施，就像 CERN 的大型正負電子對撞機 (LEP) 從 1989 年到 2000 年，然後是 LHC 從 2008 年開始一樣。輕子對撞機將執行 15 年，對已知粒子進行精確測量，並可能測量與標準模型預測的偏差；在這段時間內，強子對撞機所需的磁鐵技術將成熟，然後可以使用強子機器在比當前可用能量高得多的能量下尋找新粒子。“這個方案包是使整個專案如此有趣的原因；正是這種組合造就了物理學，”Dissertori 補充道。

然而，還需要大量的技術開發，特別是對於加速粒子的射頻腔和彎曲和聚焦粒子束的磁鐵。兩者都需要由高效能超導材料製成：腔體需要承受在其內部產生的極高電場，磁鐵需要承受強度足以產生所需高磁場的電流，這決定了粒子束的最大能量。

已批准的升級：HL-LHC

粒子物理學家所說的“亮度”是指每平方釐米每秒探測器中可以產生的碰撞次數。更多的碰撞意味著更好的統計資料，從而有更好的機會研究非常罕見的過程。HL-LHC 的亮度將比 LHC 高 10 倍，因此希望觀察到與標準模型預測的細微偏差。

高亮度升級的核心是由 Nb₃Sn 製成的磁鐵——這是一種以前從未在加速器中使用過的超導材料。這些磁鐵可以達到高達 12 特斯拉的磁場（LHC 使用 Nb-Ti 磁鐵，產生 8 特斯拉的磁場）。CERN 和美國合作實驗室正在測試不同的磁鐵設計，經過兩年的工作，效能正在接近所需的規格。HL-LHC Nb₃Sn 磁鐵將透過 1.9 開爾文超流體氦冷卻，但也可以在 4.2 開爾文下執行，而 LHC 的 Nb-Ti 磁鐵需要冷卻到 1.9 開爾文。這似乎只是一個小小的差異，但節能效果將是巨大的。

Nb₃Sn 是 CERN 未來所有高場磁鐵的首選超導體，但使用起來並不簡單。在其超導形式中，Nb₃Sn 像玻璃一樣脆，因此無法承受電纜製造過程。因此，必須首先將由 Nb 和 Sn 組成的非超導線嵌入銅基體中組裝成電纜，然後進行數天的熱處理，使其反應成超導 Nb₃Sn 相。對於 HL-LHC，所有電纜都將在 CERN 或美國的合作實驗室製造。

另一種將在 HL-LHC 中發揮重要作用的超導材料是 MgB₂，它的臨界溫度為 39 開爾文，因此可以用氣態氦冷卻。它將用於將電流從電源轉換器傳輸到加速器磁鐵的電力線中。作為一項副產品，CERN 的研究人員目前正在與公司合作開發電力線，以減少配電過程中的低效率。

HL-LHC 必須開發的另一個關鍵部件是新型射頻腔，稱為蟹形腔，由塊狀 Nb 製成。它們的形狀呈特殊幾何形狀，可以傾斜粒子束，從而最大限度地提高碰撞點處的重疊，從而增加碰撞次數。蟹形腔目前正在超質子同步加速器 (SPS) 中進行測試，超質子同步加速器是 CERN 較舊的粒子加速器之一。最後，為了應對更高數量的粒子，必須改進準直器，準直器可以吸收偏離粒子束的粒子。

除了科學任務外，HL-LHC 還充當 FCC 中將使用的新技術的驗證器，例如 Nb₃Sn 磁鐵。“我們需要測試新材料，否則，誰會為基於未經測試的技術的 FCC 付費呢？”HL-LHC 專案負責人 Lucio Rossi 評論道。

擬議的升級：FCC

如果獲得批准，FCC 將在粒子加速器的能量前沿工作，併為高能物理學的未來奠定基礎。超過 135 個國際機構參與該專案合作。建造工程將於 2028 年開始，並於 2040 年竣工。

FCC 將包括一個 100 公里的環形加速器、16 特斯拉磁鐵和下一代超導射頻腔。該環將連線到當前的加速器，這些加速器將用作注入器機器——事實上，在 CERN，過去的每個加速器都會注入到新的加速器中。

輕子對撞機可以提供標準模型已知粒子的超精確測量，以確定其精確引數。它將以 90 吉電子伏特 (GeV) 至 365 GeV 的能量碰撞粒子。與 LHC 達到的碰撞能量相比，這些能量較低，但與研究 W 和 Z 玻色子、希格斯玻色子和頂夸克（它們的質量分別為 80 GeV、91 GeV、125 GeV 和 173 GeV）相關。輕子對撞機還將充當希格斯工廠，產生數十億個希格斯玻色子，並允許詳細研究它們的耦合和相互作用。

強子對撞機可以產生質量更高（高達 20-30 TeV）的粒子，這些粒子超出了 LHC 的能量限制。將探測全新的能量尺度。然而，在 FCC 成為現實之前，還需要大量的技術發展。主要的研發計劃集中在高場超導磁鐵和超導射頻腔上，並且不要忘記，還需要建造一條 100 公里長的環形隧道。為此，已開發出新的土木工程軟體，以最佳化法國和瑞士之間山區地區的隧道挖掘。該隧道將是世界上最長的隧道（目前最長的哥達隧道長 57 公里），隧道挖掘和基礎設施成本將約佔 FCC 預算的 30%。

磁鐵——一切都與超導性有關

雖然 Nb₃Sn 磁鐵將用於 HL-LHC，但要達到 FCC 所需的 16 特斯拉磁場，還需要進一步改進。因此，CERN 的一項主要研究計劃側重於提高 Nb₃Sn 磁鐵效能的不同方案，例如，透過引入新的生產工藝以及透過晶粒細化和人工釘扎來最佳化 Nb₃Sn 的臨界電流密度。“未來更高能量加速器的磁鐵需要對超導體進行基礎研究，以實現效能和成本目標，”CERN 的 Amalia Ballarino 說。

世界各地的實驗室也在開發和測試各種其他超導材料，但通常只能製成薄膜形式，並且難以大規模生產。還在討論使用高溫超導體的可能性，但這些材料尚不成熟（儘管中國擬議的大型環形對撞機的設計，其直徑也將為 100 公里，包括用於磁鐵的高溫超導體）。

一旦磁鐵準備就緒，還需要最佳化加速器中不同元件之間的互連。因此，科學家和工程師從一開始就進行合作非常重要。“這不是火箭科學，但這非常複雜，”Rossi 說。“年齡大了，我意識到介面的重要性：如果焊接不起作用，一切都將不起作用。”

射頻腔——未來的材料挑戰

在 FCC 中，同步輻射造成的能量損失將高達 100 兆瓦。它們需要透過超導射頻腔進行補償，超導射頻腔需要非常有效地加速粒子束；因此，射頻腔研究需要取得巨大的進步。

射頻腔中的電磁場以特定頻率振盪，提供加速粒子所需的電磁場。腔體的形狀和尺寸決定了諧振頻率。CERN 目前正在測試各種腔體結構和材料加工方法。純 Nb 是這裡的首選超導體——沒有太多其他與射頻腔相容的超導材料。此外，還生產了帶有 Nb₃Sn 塗層的實驗原型腔；然而，當涉及到射頻腔時，Nb₃Sn 的脆性帶來了更大的挑戰，因為為了使腔體在特定頻率下諧振（調諧），必須對其進行輕微變形。CERN 的研究人員目前還在研究在銅腔內部塗覆 Nb₃Sn 的可能性，使用中間鉭層以避免銅擴散到超導層中。他們還在測試替代調諧方法，以避免 Nb₃Sn 開裂。

未來

LHC 是工程學的奇蹟。建造更大的對撞機似乎是不可思議的，但正如讓-呂克·皮卡德艦長所說，“事情只有在實現之前才是不可思議的。”而且，夢想遠大的不僅是 CERN：未來對撞機的各種方案正在討論中，包括日本的直線對撞機和中國的環形對撞機。但無論未來的哪個對撞機成為現實，除了它們在科學發現方面的潛力外，這些大型機器無疑將對材料科學和工程的進步產生巨大影響。

本文經許可轉載，並於 2019 年 1 月 8 日首次發表。