現在不是建造更大粒子加速器的合適時機。但是位於瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心 CERN 有計劃——宏大的計劃。作為世界上最大的粒子物理設施,目前執行著世界上最大的粒子對撞機,已宣佈 其目標是建造一臺更大的機器,這在今天的新聞釋出會和釋出中揭示。
由此,歐洲核子研究中心已決定繼續推進未來環形對撞機(FCC)計劃的第一步,該對撞機將位於一個周長為100公里(或略超過60英里)的環形隧道中。這臺機器最終可能達到100太電子伏特的碰撞能量,約為目前執行的大型強子對撞機(LHC)碰撞能量的六倍。透過達到前所未有的高能量,新的對撞機將能夠最深入地觀察物質的結構,並有可能發現新的粒子。
整個願景是否會實現仍不清楚。但歐洲核子研究中心已宣佈,將啟動FCC的第一步“高度優先”,即為隧道尋找合適的地點,並建造一臺機器,以類似於LHC(但LHC使用質子對質子碰撞)的能量碰撞電子和正電子。歐洲核子研究中心是否會繼續推進質子之間的高能量碰撞的決定,將在經過多年的研究和審議後才會做出。
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第一步也被稱為“希格斯工廠”,因為它專門設計用於產生大量的希格斯玻色子。 希格斯玻色子是2012年在歐洲核子研究中心發現的,是粒子物理學標準模型中最後一個缺失的粒子。藉助這臺新機器,粒子物理學家希望更詳細地測量其性質以及一些先前發現的粒子的性質。(日本正在考慮建造一個線性對撞機,其目的與歐洲核子研究中心的希格斯工廠類似,但負責該想法的委員會在去年的報告中沒有做出明確的決定。中國正在考慮建造一個規模和大小與歐洲核子研究中心完整FCC計劃相似的環形對撞機,但預計明年才會做出決定。)
但是,如果歐洲核子研究中心的計劃完全執行,將耗資數百億美元。確切的數字尚不可用,因為歐洲核子研究中心提出的預算估算通常不包括運營成本。根據大型強子對撞機的執行成本,新對撞機的這些成本可能至少為每年10億美元。對於一個可能執行20年或更長時間的設施來說,這與建設成本相當。
毫無疑問,這些數字令人瞠目結舌。事實上,粒子對撞機目前是存在的最昂貴的物理實驗。它們的價格標籤甚至高於第二昂貴的實驗型別——衛星任務中的望遠鏡。
成本如此之高的主要原因是,自1990年代以來,對撞機技術只有漸進式的改進。因此,今天達到更高能量的唯一方法是建造更大的機器。正是巨大的物理尺寸——漫長的隧道,填充隧道所需的眾多磁鐵,以及完成這一切所需的所有人員——使得粒子對撞機如此昂貴。
但是,雖然這些對撞機的成本已經膨脹,但它們的相關性卻下降了。當物理學家在1940年代開始建造對撞機時,他們沒有完整的基本粒子清單,他們也知道這一點。新的測量帶來了新的難題,他們建造了更大的對撞機,直到2012年,影像才完整。標準模型仍然有一些未解決的問題,但實驗性地測試這些問題將需要比FCC可以測試的能量高至少一百億倍的能量。因此,目前對於下一個更大的對撞機的科學理由很薄弱。
當然,下一個更大的對撞機有可能做出突破性的發現。例如,一些物理學家希望它可以提供有關暗物質或暗能量本質的線索。
是的,人們可以抱有希望。但是沒有理由認為構成暗物質或暗能量的粒子會出現在新裝置的能量範圍內。而且這是假設它們首先是粒子,但沒有證據表明如此。即使它們是粒子,而且,高能碰撞可能不是尋找它們的最佳方式。例如,弱相互作用的微小質量粒子不是人們用大型對撞機尋找的東西。
而且還有完全不同型別的實驗可以以遠更小的成本帶來突破,例如低能量下的高精度測量或增加量子態物體的質量。轉向更高的能量不是在物理學基礎上取得進展的唯一途徑;這只是最昂貴的一種。
在這種情況下,粒子物理學家應該專注於開發可以使對撞機回到合理價格範圍的新技術,並推遲挖掘更多的隧道。地平線上最有希望的技術是一種新型的“尾波場”加速,它可以大大縮短加速粒子的距離,從而縮小對撞機的尺寸。另一種具有顛覆性意義的技術將是室溫超導體,它可以使對撞機依賴的強磁鐵更高效且更實惠。
研究這些新技術也是歐洲核子研究中心的優先事項之一。但是,正如戰略更新所揭示的那樣,粒子物理學家還沒有意識到他們新的現實。建造更大的粒子對撞機已經走到了盡頭。今天,它的科學投資回報很少,同時幾乎沒有社會相關性。大型科學專案往往普遍有利於教育和基礎設施,但這並非粒子對撞機所特有的。如果這些副作用是我們真正感興趣的,那麼我們至少應該將我們的資金投入到具有社會相關性的科學研究中。
例如,為什麼我們仍然沒有一個國際氣候預測中心,根據目前的估計,該中心在10年內“僅”花費10億美元?與粒子物理學吸走的資金相比,這簡直是小菜一碟,但重要性卻大大提高。或者,您最近可能想知道,為什麼我們沒有一個流行病建模中心?
這是因為太多的科學資金是根據慣性發放的。在上個世紀,粒子物理學發展成為一個龐大、非常有影響力和聯絡良好的社群。他們會繼續建造更大的粒子對撞機,只要他們能做到,僅僅因為那是粒子物理學家所做的事情,無論這是否有意義。
現在是社會對大型科學專案的資助採取更開明的態度的時候了,而不是繼續給那些他們以前給過錢的人。我們有比測量希格斯玻色子質量的下一個數字更大的問題。
