歐洲核子研究中心公佈了其大膽的夢想，即建造一臺新的加速器，其長度幾乎是其27公里長的大型強子對撞機（目前是世界上最大的）的四倍，功率高達六倍。
這家位於瑞士日內瓦郊外的歐洲粒子物理實驗室在1月15日的技術報告中概述了該計劃。
該檔案為未來環形對撞機（FCC）提供了幾個初步設計——這將是有史以來最強大的粒子加速器——不同型別的對撞機成本從約90億歐元（102億美元）到210億歐元不等。這是該實驗室在未來兩年內名為“歐洲粒子物理戰略更新”的優先事項制定過程中的首次出價，它將影響該領域未來直至本世紀下半葉。
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“這是一個巨大的飛躍，就像計劃一次不是去火星，而是去天王星的旅行，”歐洲核子研究中心理論部門負責人，並在戰略演習的物理預備小組中代表歐洲核子研究中心的吉安·弗朗切斯科·朱迪切說。
在大型強子對撞機在2012年曆史性地發現希格斯玻色子之後，該對撞機尚未發現任何新粒子。朱迪切說，這表明有必要儘可能提高能量。“今天，探索具有大膽專案的最高可能能量是我們破解自然界最基本層面的一些奧秘的最佳希望。”
特拉維夫大學物理學家，負責歐洲戰略程序的哈麗娜·阿布拉莫維奇說，FCC 這樣的機器的潛力“非常令人興奮”。她補充說，FCC 的潛力將被深入討論，並與其他擬議的專案進行比較。
歐洲核子研究中心理事會，包括來自成員國的科學家和政府代表，然後將對是否資助該專案做出最終決定。
太貴了嗎？
並非所有人都相信超級對撞機是一項好的投資。“沒有理由認為在這樣的對撞機將達到的能量範圍內應該有新的物理學，”德國法蘭克福高等研究院的理論物理學家薩賓·霍森菲爾德說。“那是每個人都在考慮但又不想談論的噩夢。”
霍森菲爾德說，所涉及的大筆資金可能更好地用於其他型別的大型設施。例如，她說，在月球背面放置一臺大型射電望遠鏡，或者軌道上的引力波探測器，就科學回報而言，將是更安全的選擇。
但歐洲核子研究中心物理學家，領導 FCC 報告的邁克爾·貝內迪克特說，無論預期的科學成果如何，這樣的設施都值得建造。“這些大規模的努力和專案是建立網路，連線跨越國界、國家的研究所的巨大起點。所有這些加在一起，構成了推動此類獨特科學專案的非常好的理由。”
雖然霍森菲爾德說，其他大型科學專案也可以提出類似的論點。
選項
歐洲核子研究中心稱，FCC 研究始於 2014 年，有 1300 多名貢獻者參與，並獲得了歐盟委員會 Horizon 2020 研究資助計劃的資助。它概述的大多數方案都涉及一條 100 公里的隧道，該隧道將挖掘在現有大型強子對撞機的隧道旁邊。歐洲核子研究中心表示，這部分以及地面相關基礎設施的成本約為 50 億歐元。
在這樣的隧道中建造的一臺價值 40 億歐元的機器可以將電子及其反物質對應物正電子碰撞，能量高達 365 吉電子伏特。這樣的碰撞將使研究人員能夠以比質子-質子對撞機（如大型強子對撞機）更高的精度研究已知的粒子，如希格斯玻色子。這項新的研究計劃將在 2040 年左右開始，屆時大型強子對撞機（包括計劃中的升級版本）將完成其執行過程。
物理學家長期以來計劃在大型強子對撞機之後建造國際直線對撞機（ILC），該對撞機也將碰撞電子和正電子。日本科學家在 2012 年提出主辦。但大型強子對撞機未能找到任何無法預測的現象，這削弱了直線對撞機的理由。這是因為 ILC 只能達到足以研究希格斯玻色子的能量，而不能發現可能存在於更高能量下的任何新粒子，而歐洲核子研究中心計劃的對撞機可能會做到這一點。日本政府計劃在 3 月 7 日之前決定是否願意主辦 ILC。
報告中概述的另一個選擇是在同一隧道中建造一臺價值 150 億歐元的 100 公里質子-質子對撞機（也稱為強子對撞機），它可以達到高達 100,000 GeV 的能量，遠高於大型強子對撞機的最大能力 16,000 GeV。但更可能的方案是首先建造電子-正電子機器，然後在 2050 年代後期繼續建造質子-質子對撞機。無論哪種方式，更高能量的機器都將尋找全新的粒子，這些粒子可能比已知的粒子更重，因此需要更多的能量才能產生。
強子對撞機僅比超導超級對撞機長 15%，後者是德克薩斯州的一個專案，在 1990 年代因成本問題而被放棄，當時其隧道已在建設中。但由於技術進步，特別是在彎曲質子路徑繞環的磁體方面，它碰撞粒子的能量將是其兩倍以上。
仍然需要進行大量的研究和開發，這也是首先建造低能量機器可能更有意義的原因之一。“如果我們明天準備好一條 100 公里的隧道，我們可以立即開始建造電子-正電子對撞機，因為這項技術基本上已經存在，”朱迪切說。“但是 100 萬兆電子伏特對撞機所需的磁體還需要更多的研究和開發。”
中國的競爭對手
中國北京高能物理研究所（IHEP）所長王貽芳表示，他毫不懷疑該實驗室能夠完成這樣一個專案。“歐洲核子研究中心有著悠久的成功歷史。它擁有技術能力、管理技能以及與政府的良好關係，”他說。
王正在中國領導一個類似的專案，他說，令人欣慰的是，雙方的努力在科學目標和技術可行性方面得出了基本相同的結論。他說，特別是，首先進行電子-正電子碰撞，然後再進行強子碰撞是一個自然的選擇。
強子對撞機增加的大部分成本將來自對強大的超導磁體和巨大的氦低溫系統的需求，以保持它們的低溫。強子碰撞 FCC 的目標是基於超導合金 Nb3Tn 的 16 特斯拉磁體，這將是大型強子對撞機的兩倍強大，原則上只需要稍微溫暖的溫度。另一方面，中國正在推動更先進但未經證實的鐵基超導體，這可以將溫度推得更高。“如果你能在 20 開爾文下做到這一點，那麼你就能節省大量資金，”王說。
即使粒子物理學家都同意世界需要一臺 100 公里的對撞機，但尚不清楚是否需要兩臺。無論哪一方首先啟動這樣一個專案，都可能會搶佔另一方的努力。王說，無論哪一臺對撞機最終建成，都將舉辦向更廣泛的國際社會開放的實驗，因此從科學角度來看，這不會有什麼區別。
本文經許可轉載，並於2019年1月15日首次發表。