欧洲核子中心下一代粒子对撞机筹备工作蓄势待发
在日内瓦附近，欧洲核子研究中心(CERN)正在加速筹备建设一座新的大型粒子对撞机。这个由欧洲主导的项目旨在解答物理学领域一些最根本的问题。然而，目前该项目面临着许多障碍，包括来自中国的竞争。
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2012年，欧洲核子研究中心的科学家们取得了一项关键性突破，他们探测到了神秘莫测的希格斯玻色子，这是一种能够赋予其他所有粒子质量的基本粒子。此前，欧洲核子研究中心利用著名的大型强子对撞机(LHC)等加速器开展了数十年的相关研究工作。大型强子对撞机位于日内瓦北部，是世界上最强大的粒子对撞机。
然而，关于宇宙的许多基本问题仍然没有答案：暗物质是由什么构成的？为什么我们的宇宙充满了物质而非反物质？为什么基本粒子的质量相差如此之大？
欧洲核子研究中心表示，为寻找这些问题和其他重大物理问题的答案，就需要“跃向更高能量和强度”。欧洲核子研究中心希望建造一个比大型强子对撞机更强大、更精确的后续设备。大型强子对撞机的构想设计始于20世纪80年代初，并将在2040年完成其历史使命。
欧洲核子研究中心加速器和技术总监迈克·拉蒙特(Mike Lamont)说：“我们建造这些机器是为了探索宇宙的本质。这是一次走向未知的过程，开启更深层次的探索之旅。”
因此，应全球物理学界的呼吁，未来环形对撞机(FCC)的建设规划在过去十年中已逐步成型。
这个项目计划将围绕日内瓦市在瑞士和法国领土上修建一条长91公里(56英里)的环形隧道，隧道将从日内瓦湖底穿过，长度比目前大型强子对撞机长三倍。地面上将建设八个科研站点，其中七个位于法国，一个位于日内瓦。初步成本估算为第一阶段耗资 110 亿瑞郎(合人民币894.3亿元)；总投资为210 亿瑞郎(合人民币1’707.3亿元)。
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欧洲核子研究中心的新一代粒子对撞机会是什么样？
在这条庞大的隧道内，粒子的加速距离更长，加速后以100太电子伏特(TeV)的碰撞能量进行碰撞–与大型强子对撞机相比，碰撞能量增加了七倍–从而在亚原子层面揭开最深奥的秘密。
未来环形对撞机尚未获得批准，距离正式启动还有数年时间。然而，拉蒙特表示，人们对这一项目越来越期待。
他说：“有一种蓄势待发的感觉。欧洲各个层面的参与者都非常支持这个项目。他们一直在大力推动这个项目。”目前，约有150所大学、研究机构和产业合作方正在共同开展这项事业。
一项预计在2025年完成的可行性研究已于今年春季启动，现场评估也在进行中。
未来环形对撞机研究负责人迈克·贝内迪克(Michael Benedikt)解释说：“我们正在进入探索阶段。”
他的团队已经确定了未来环形对撞机的理想路径以及八个地面科研站点的位置，站点里将建设对撞机基础设施并开展实验。
这些现场评估是与当地社区紧密合作进行的，以解决任何可能出现的潜在冲突。
拉蒙特说：“很多人认为这会是一个庞大的设施，但其实大部分设施都在地下。”
欧洲核子研究中心正努力解决项目初期可能遇到的问题。受未来环形对撞机影响地区的市长等地方官员已受邀参观欧洲核子研究中心的现有设施，以便更直观地了解新场址和其他基础设施的模样。目前该机构正在法国和瑞士农村进行环境研究，以收集可能受大型对撞机影响的当地地质和动植物数据。地震研究和钻探将于明年启动。
贝内迪克强调，到目前为止，当地居民都非常支持这个项目。他说：“他们都非常关心我们正在做什么，为什么要这样做，而且到目前为止，没有任何迹象表明他们不希望这个项目实施。”
关于成本和规模的质疑
然而，当地的Noé21协会对此项目表示反对。该协会于2022年10月发布了一份批判性报告，对未来环形对撞机的庞大规模提出质疑，称其需要挖掘900万立方米的土方。报告称，未来环形对撞机年用电量将是目前欧洲核子研究中心用电量的三倍，达到四太瓦时(TWh)，这比瑞士所有公共交通的用电量还要高。
这项耗资巨大的计划也遭到了其他人的批评，甚至包括物理学家。德国法兰克福高等研究院的理论物理学家萨宾·霍森费尔德(Sabine Hossenfelder)等人担心，这个庞大的项目将吞噬本可用于其他更具实际意义的物理学研究的资金。
她认为：“这是一笔巨额投资，仅仅是为了更精确地测量一堆粒子在纳秒内的衰变情况。我们没有理由相信这样的设备能够发现任何新的东西。”
她认为，这笔钱应该投入到更具直接应用价值的研究中去，比如建立一个国际气候预测中心或国际流行病建模研究中心。
“将这么多资金投入到一个与社会福祉无直接关联的领域，会导致人们放弃更为重要的研究领域–这实际上阻碍了社会的进步。”
在法瑞交界区域建造大型对撞机
欧洲核子研究中心的下一代对撞机建设计划分为两个阶段。在第一阶段，欧洲核子研究中心计划在本世纪中叶建造一条更大的隧道，用于对撞亚原子粒子，最大限度地产生希格斯玻色子，并更深入地探索其属性。
拉蒙特表示，在这一阶段，物理学家将有机会“对希格斯玻色子进行非常深入的研究”。
随后，首台设备将被拆除，取而代之的是一台更强大的质子-质子对撞机，其碰撞能量将达到 100TeV，预计将服役至本世纪下半叶。最终设备所需的许多技术还有待开发，将是未来几十年深入研究的主题。
在日内瓦湖尽头人口稠密的地区建造一座更大的对撞机，土木工程方面的挑战不容小觑。
“湖底隧道建设是一大难题。另一个问题是汝拉山脉和俯瞰日内瓦的萨勒夫山脉的石灰岩地质，”拉蒙特说。工程师们必须寻找可以让钻孔机穿越较为松软岩层的地点，这使得可行的设计方案寥寥无几。
备选方案及来自中国的竞争
欧洲核子研究中心成员国–22个欧洲国家和以色列–将不会在2028年之前就是否批准该项目做出最终决定。如果项目获得批准，建设工程将于2038年启动，一期项目施工将于2048年之后开始。如果项目遭到否决，欧洲核子研究中心也已经准备了备选方案：一个长度介于11至50公里的紧凑型直线对撞机(CLIC)，它与未来环形对撞机不同，一次只能进行一个物理实验。
欧洲核子研究中心是一个在全球享有盛誉的研究中心，是人类探索物质本源的领先机构。但在未来几年，它将面临激烈的竞争：中国在2018年公布了一个项目，计划建设100公里长的电子-正电子超级对撞机，并最早可能在2030年开始实验。欧洲核子研究中心的官员担心，随着雄心勃勃的中国快速取得进展，他们可能会被超越，失去在这一专业领域的领先地位。
2012年，中国科学院高能物理学家提出建造环形正负电子对撞机(CEPC)的计划。
2014年，CEPC工作团队发布了《初步概念设计报告》，引发中国物理界的争议。诺贝尔物理学奖得主杨振宁指出，中国当前不宜建造超大对撞机，因为该建造项目将是耗资巨大的“无底洞”。此外，几十年内，“高能物理的大成就对人类生活不会带来实在好处”，中国应将资金用于“环保、教育、医疗等”与人民福祉更息息相关的领域。
中国高能物理研究所的CEPC计划提出之初便同欧洲核子研究中心的未来环形对撞机项目形成竞争关系。2014年，高能物理研究所在介绍CEPC项目建设背景的网页中写到：“欧洲核子中心(CERN)已开始组织对未来环形对撞机的设计研究，但它2030年之前将忙于LHC运行及其升级。因此，如果不能在2025年之前启动项目，我们将错失良机。以后何时再有这样的机会，恐怕谁也无法预料。我们希望能抓紧时间尽快启动设计和预研工作。”
2018年，CEPC团队正式公布《概念设计报告》。“一个耗资300多亿的‘大圈’按照概念设计，CEPC将是一个埋在地下100多米处的周长100公里的“大圈”，至少会有两台探测器同时进行科学实验”，高能物理研究所这样写到。而中国科学院高能物理研究所所长王贻芳表示，这是一个绝佳的历史机遇，中国可以通过努力建成自己的希格斯工厂和国际领先的“创新合作平台”，成为该领域全世界的领跑者。
时年11月，“高能环形正负电子对撞机关键技术研发和验证”项目召开启动会，标志着CEPC的研发进入关键的技术攻关阶段。
随后几年，CEPC项目稳步发展，具有标志性的研究成果包括：
- 高性能1.3GHz超导腔研究取得重要进展(2019)
- 高能所1.3 GHz 9-cell高Q超导腔研发取得重大突破(2020)
- 1.3 GHz 9-cell高Q超导腔研发取得重大突破(2021)
- 650 MHz高性能超导腔研究取得重大进展(2022)
- 超导四极短实验磁体低温励磁成功(2022)
- 高品质因数1.3 GHz超导加速模组取得世界领先成果(2023)
- 探测器磁体高温超导电缆的研制取得突破(2023)
CEPC项目每年举行一次“环形正负电子对撞机国际顾问委员会年会”，至今已举行8届。其国际顾问委员会成员中包括瑞士科学家。
“我认为我们必须意识到这是一个真正的威胁。我认为中国正在学习曲线上快速攀升。低估他们的实力将是一个巨大的错误，”拉蒙特说。
但官员们表示，这种良性竞争也有可能促使欧洲核子研究中心的计划加速落地。
拉蒙特带着些许紧张的笑意表示，未来环形对撞机项目非常宏大。“但我们有信心完成项目。这不是漫无目的的尝试。”
(译自英文：瑞士资讯中文部)
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