歐洲核子中心下一代粒子對撞機籌備工作蓄勢待發
在日內瓦附近，歐洲核子研究中心(CERN)正加速籌備建造一座新的大型粒子對撞機。這個由歐洲主導的計畫旨在解答物理學領域中一些最根本的問題。然而，目前該項目面臨許多障礙，包括來自中國的競爭。
阅读本文简体字版本请 点击这里
2012年，歐洲核子研究中心的科學家們取得了一項關鍵性突破，他們探測到了神秘莫測的希格斯玻色子，這是一種能夠賦予其他所有粒子質量的基本粒子。 此前，歐洲核子研究中心利用著名的大型強子對撞機(LHC)等加速器進行了數十年的相關研究工作。大型強子對撞機位於日內瓦北部，是世界上最強大的粒子對撞機。
然而，關於宇宙的許多基本問題仍然沒有答案：暗物質是由什麼構成的？ 為什麼我們的宇宙充滿了物質而非反物質？ 為什麼基本粒子的質量相差如此大？
歐洲核子研究中心表示，為尋找這些問題和其他重大物理問題的答案，就需要「躍向更高能量和強度」。 歐洲核子研究中心希望建造一個比大型強子對撞機更強大、更精確的後續設備。大型強子對撞機的構想設計始於20世紀80年代初，並將在2040年完成其歷史使命。
歐洲核子研究中心加速器和技術總監邁克·拉蒙特(Mike Lamont)說：“我們建造這些機器是為了探索宇宙的本質。這是一次走向未知的過程，開啟更深層次的探索之旅。”
因此，應全球物理學界的呼籲，未來環形對撞機(FCC)的建設規劃在過去十年中已逐步成型。
這個計畫將圍繞日內瓦市在瑞士和法國領土上建造一條長91公里(56英里)的環形隧道，隧道將從日內瓦湖底穿過，長度比目前大型強子對撞機長三倍。地面上將建造八個研究站，其中七個位於法國，一個位於日內瓦。初步成本估算為第一階段耗資 110 億瑞郎(合美金120.27億元)；總投資為210 億瑞郎(合229.6億元)。
相关内容
歐洲核子研究中心的新一代粒子對撞機會是什麼樣子？
在這條龐大的隧道內，粒子的加速距離更長，加速後以100太電子伏特(TeV)的碰撞能量進行碰撞–與大型強子對撞機相比，碰撞能量增加了七倍– 從而在亞原子層面揭開最深奧的秘密。
未來環形對撞機尚未獲得批准，距離正式啟動還有數年時間。然而，拉蒙特表示，人們對這項計畫越來越期待。
他說：「有一種蓄勢待發的感覺。歐洲各個層面的參與者都非常支持這個計畫。他們一直在大力推動這個計畫。」目前，約有150所大學、研究機構和產業合作方正在共同開展這項事業。
預計在2025年完成的可行性研究已於今年春季啟動，現場評估也正在進行中。
未來環形對撞機研究負責人邁克·貝內迪克(Michael Benedikt)解釋說：“我們正在進入探索階段。”
他的團隊已經確定了未來環形對撞機的理想路徑以及八個地面研究站的位置，站點裡將建造對撞機基礎設施並進行實驗。
這些現場評估是與當地社區緊密合作進行的，以解決任何可能的潛在衝突。
拉蒙特說：“很多人認為這會是一個龐大的設施，但其實大部分設施都在地下。”
歐洲核子研究中心正努力解決計畫初期可能遇到的問題。受未來環形對撞機影響地區的市長等地方官員已受邀參觀歐洲核子研究中心的現有設施，以便更直觀地了解新場址和其他基礎設施的模樣。目前該機構正在法國和瑞士農村進行環境研究，以收集可能受大型對撞機影響的當地地質和動植物資料。地震研究和鑽探將於明年啟動。
貝內迪克強調，到目前為止，當地居民都非常支持這個計畫。 他說：“他們都非常關心我們正在做什麼，為什麼要這樣做，到目前為止，沒有任何跡象表明他們不希望這個項目實施。”
關於成本和規模的質疑
然而，當地的Noé21協會對此計畫表示反對。該協會於2022年10月發佈了一份批判性報告，對未來環形對撞機的龐大規模提出質疑，稱其需要挖掘900萬立方公尺的土方。報告稱，未來環形對撞機年用電量將是目前歐洲核子研究中心用電量的三倍，達到四太瓦時(TWh)，比瑞士所有大眾運輸的用電量還要高。
這項耗資巨大的計畫也遭到了其他人的批評，甚至包括物理學家。德國法蘭克福高等研究院的理論物理學家薩賓·霍森費爾德(Sabine Hossenfelder)等人擔心，這個龐大的計畫將吞噬本可用於其他更具實際意義的物理學研究的資金。
她認為：“這是一筆巨額投資，僅僅是為了更精確地測量一堆粒子在納秒內的衰變情況。我們沒有理由相信這樣的設備能夠發現任何新的東西。”
她認為，這筆錢應該投入更直接應用價值的研究中去，例如建立國際氣候預報中心或國際流行病建模研究中心。
“將這麼多資金投入到一個與社會福祉無直接關聯的領域，會導致人們放棄更為重要的研究領域——這實際上阻礙了社會的進步。”
在法瑞交界區域建造大型對撞機
歐洲核子研究中心的下一代對撞機建設計畫分為兩個階段。在第一階段，歐洲核子研究中心計畫在本世紀中葉建造一條更大的隧道，用於對撞亞原子粒子，最大限度地產生希格斯玻色子，並更深入地探索其屬性。
拉蒙特表示，在這一階段，物理學家將有機會「對希格斯玻色子進行非常深入的研究」。
隨後，首台設備將被拆除，取而代之的是更強大的質子-質子對撞機，其碰撞能量將達到 100TeV，預計將服役至本世紀下半葉。 最終設備所需的許多技術仍有待開發，將是未來幾十年深入研究的主題。
在日內瓦湖盡頭人口稠密的地區建造一座更大的對撞機，土木工程的挑戰不容小覷。
「湖底隧道建設是一大難題。另一個問題是汝拉山脈和俯瞰日內瓦的薩勒夫山脈的石灰岩地質，」拉蒙特說。工程師必須尋找可以讓鑽孔機穿越較為鬆軟岩層的地點，這使得可行的設計方案寥寥無幾。
替代方案及來自中國的競爭
歐洲核子研究中心成員國–22個歐洲國家和以色列–將不會在2028年之前就是否批准該計畫做出最終決定。如果工程獲得批准，建設工程將於2038年啟動，第一期工程施工將於2048年後開始。如果計畫遭到否決，歐洲核子研究中心也已經準備了替代方案：一個長度介於11至50公里的緊湊型直線對撞機(CLIC)，與未來環形對撞機不同，一次只能進行一個物理實驗。
歐洲核子研究中心是一個在全球享有盛名的研究中心，也是人類探索物質本源的領先機構。但在未來幾年將面臨激烈的競爭：中國在2018年公佈了一個項目，計畫建造100公里長的電子-正電子超級對撞機，並最快可能在2030年開始實驗。歐洲核子研究中心的官員擔心，隨著雄心勃勃的中國快速取得進展，他們可能會被超越，失去在這一專業領域的領先地位。
2012年，中科院高能物理學家提出建造環形正負電子對撞機(CEPC)的計畫。
2014年，CEPC工作團隊發佈了《初步概念設計報告》，引發中國物理界的爭議。諾貝爾物理學獎得主楊振寧指出，中國目前不宜建造超大對撞機，因為該建造工程將是耗資巨大的「無底洞」。此外，幾十年內，“高能物理的大成就對人類生活不會帶來實在好處”，中國應將資金用於“環保、教育、醫療等”與人民福祉更息息相關的領域。
中國高能物理研究所的CEPC計畫提出之初便同歐洲核子研究中心的未來環形對撞機計畫形成競爭關係。2014年，高能物理研究所在介紹CEPC計畫建置背景的網頁中寫到：「歐洲核子中心(CERN)已開始組織對未來環形對撞機的設計研究，但它2030年之前將致力於LHC運作及其升級。因此，如果不能在2025年之前啟動項目，我們將錯失良機。以後何時再有這樣的機會，恐怕誰也無法預料。我們希望能抓緊時間盡快啟動設計和預研工作。”
2018年，CEPC團隊正式公佈《概念設計報告》。 「一個耗資300多億的『大圈』按照概念設計，CEPC將是一個埋在地下100多米處的周長100公里的“大圈”，至少會有兩台探測器同時進行科學實驗”，高能 物理研究所這樣寫到。 而中國科學院高能物理研究所所長王貽芳表示，這是一個絕佳的歷史機遇，中國可以通過努力建成自己的希格斯工廠和國際領先的“創新合作平台”，成為該領域全世界的領跑者。
時年11月，「高能量環形正負電子對撞機關鍵技術研發與驗證」計畫召開啟動會，標誌著CEPC的研發進入關鍵的技術攻關階段。
隨後幾年，CEPC計畫穩步發展，具有標誌性的研究成果包括：
- 高性能1.3GHz超導腔研究取得重要進展(2019)
- 高能所1.3 GHz 9-cell高Q超導腔研發取得重大突破(2020)
- 1.3 GHz 9-cell高Q超導腔研發取得重大突破(2021)
- 650 MHz高性能超導腔研究取得重大進展(2022)
- 超導四極短實驗磁體低溫勵磁成功(2022)
- 高品質因數1.3 GHz超導加速模組取得世界領先成果(2023)
- 偵測器磁鐵高溫超導電纜的研發取得突破(2023)
CEPC計畫每年舉行一次“環形正負電子對撞機國際顧問委員會年會”，至今已舉行8屆。其國際顧問委員會成員包括瑞士科學家。
「我們必須意識到這是一個真正的威脅。我認為中國正在學習曲線上快速攀升。低估他們的實力將是一個巨大的錯誤。」拉蒙特說。
但官員表示，這種良性競爭也有可能促使歐洲核子研究中心的計畫加速落地。
拉蒙特帶著些許緊張的笑意表示，未來環形對撞機計畫非常宏大，但我們有信心完成項目。這不是漫無目的的嘗試。
(譯自英文：瑞士資訊中文部)
符合JTI标准
您可以在这里找到读者与我们记者团队正在讨论交流的话题。
请加入我们！如果您想就本文涉及的话题展开新的讨论，或者想向我们反映您发现的事实错误，请发邮件给我们：chinese@swissinfo.ch。