下一代对撞机太烧钱?210亿欧元超级对撞机计划公布

2019.02.26 09:45

未来环形对撞机的效果图

在1月15日公布的技术报告中,位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心描述了该计划的蓝图。

这份文件给出了建造“未来环形对撞机”(Future Circular Collider,简称FCC)的几个初步设计。建造完成之后,未来环形对撞机将成为有史以来最强大的粒子粉碎机,不同设计方案的建造成本从90亿欧元到210亿欧元不等。这也是欧洲核子研究中心在“欧洲粒子物理战略更新”(European Strategy for Particle Physics Update)中的一个公开招标项目。欧洲粒子物理战略更新于2006年发布,在2013年进行了首次更新,确定了4个最高优先级的领域,其中就包括新型加速器项目的设计研究。未来两年内,欧洲粒子物理战略更新将逐步推进,预计将对粒子物理学领域到本世纪下半叶的未来发展产生重要影响。

作为战略更新计划物理预备组实验室的代表,CERN理论部门负责人吉安·弗朗切斯科·朱迪切(Gian Francesco Giudice)说:“这是一次巨大的跨越,就像计划一场跳过火星,直接前往天王星的旅行。”

自从2012年历史性地发现希格斯玻色子之后,大型强子对撞机还未发现任何新的粒子。朱迪切表示,这意味着我们需要尽可能地提高对撞机的能量。他说:“今天,为了在最基础水平上破解大自然的奥秘,我们最大的希望是通过这类大胆计划去探索尽可能高的能量。”

以色列特拉维夫大学的物理学家哈丽娜·阿布拉莫维奇(Halina Abramowicz)表示,像未来环形对撞机这样的机器具有“非常令人激动”的潜力。作为欧洲战略更新计划的负责人,她补充道,未来环形对撞机的潜力将作为更新计划的一部分进行深入讨论,并与其他拟议项目进行比较。

届时,欧洲核子研究中心理事会(包括来自各成员国的科学家和政府代表)将就是否为未来环形对撞机项目提供资助做出最终决定。

未来环形对撞机项目的主要愿景包括在现有LHC隧道(蓝色)旁边挖掘一条100公里长的隧道(红色)

太烧钱?

并不是所有人都认为超级对撞机是一项好的投资。“没有任何理由认为,这种对撞机所达到的能量状态就一定能带来新的物理学突破,”德国法兰克福高等研究院的理论物理学家萨宾·霍森菲尔德(Sabine Hossenfelder)说,“这是所有人心中的噩梦,但都不愿意说出来。”

霍森菲尔德表示,将该项目所需的庞大资金用于其他类型的大型设施,可能会带来更大的回报。她举例说,在月球背面建造一台大型射电望远镜,或者在空间轨道上放置一台引力波探测仪,在科学收益方面都可能比对撞机更加安全的投资。

领导未来环形对撞机研究的CERN物理学家迈克尔·贝内迪克特(Michael Benedikt)表示,无论预期的科学成果如何,建造一台超级对撞机都是有价值的。他说:“这类最大规模的尝试和项目,都将极大地促进学术合作,连接世界各地的研究机构。所有这些都是推动这类独特科学项目的极好论据。”

然而,霍森菲尔德表示,其他大型科学项目也可以套用类似的论点。

其他的选项

根据欧洲核子研究中心的报告,未来环形对撞机的研究始于2014年,共有超过1300名参与者,其资金来源是欧盟委员会的“地平线2020”(Horizon 2020)研究资助计划。该研究描绘的主要愿景包括在现有LHC隧道旁边挖掘一条100公里长的隧道。CERN表示,该隧道以及地表相关基础设施的建造成本约为50亿欧元。

在这样一条隧道之内,耗资达40亿欧元的对撞机将可以粉碎电子及其对应的反物质(正电子),过程中所用的能量可高达365GeV(吉电子伏特)。通过这些碰撞,研究人员可以在比质子-质子对撞机(如LHC)更高的精度下研究已知粒子,如希格斯玻色子。该研究计划预计于2040年左右启动,届时LHC及其目前尚在计划中的升级版本将完成使命。

长期以来,物理学家一直计划在LHC完成使命后建造一台国际直线对撞机(International Linear Collider,简称ILC)。这台对撞机也可以粉碎电子和正电子。日本科学家在2012年开始积极争取国际直线对撞机项目。但是,由于LHC一直未能发现任何意料之外的现象,从而削弱了建造直线对撞机的必要性。这是因为国际直线对撞机所能达到的能量只足以研究希格斯玻色子,而无法用于发现可能存在于更高能量的任何新粒子——CERN计划的新对撞机的目标。日本政府将于3月7日决定是否主持国际直线对撞机的建造。

在CERN报告中提到的另一个选项是耗资150亿欧元、长度约100公里的质子-质子对撞机(又称为强子对撞机)。这台对撞机将建在与LHC同一条隧道内,能够达到10万GeV的能量——远远超过LHC的最高能量值(16000GeV)。不过,更可能的情况是首先建造电子-正电子对撞机,到21世纪50年代后期再建造质子-质子对撞机。无论是哪种选项,更高能量的对撞机都将寻找全新的粒子,而这些粒子可能比已知的粒子更大,因而需要更高的能量才能产生。

强子对撞机的长度将只比超导超级对撞机(Superconducting Super Collider,简称SSC)长15%。20世纪90年代,位于美国德克萨斯州的超导超级对撞机工程因成本原因夭折,当时已经挖掘了22.5公里的隧道。随着技术的发展,特别是用于控制质子在隧道中改变轨迹的磁铁技术获得突破,计划中的强子对撞机有望能以超导超级对撞机两倍以上的能量运行。

当然,物理学家还有更多的研究和开发工作要做,这也是先建造低能量对撞机的原因之一。“如果我们明天就能准备好一条100公里长的隧道,那我们就可以马上建造一台电子-正电子对撞机,因为所需的技术已经存在,”朱迪切说,“但是,对于一台100TeV对撞机所需的磁铁,还需要进行更多的研发工作。”(任天)