未來環(huán)形對撞機(jī)（藝術(shù)圖）圖片來源：《自然》網(wǎng)站
據(jù)英國《自然》雜志官網(wǎng)報(bào)道，歐洲核子研究中心（CERN）15日發(fā)布了一項(xiàng)雄心勃勃的計(jì)劃——建造一臺新的加速器，其長度是現(xiàn)在世界上功能最強(qiáng)大的對撞機(jī)——27公里長的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）的4倍，最高能量將為LHC的6倍。歐核中心希望，這臺新設(shè)備能發(fā)現(xiàn)新粒子并帶來新物理學(xué)。
據(jù)悉，擬議的新設(shè)備名為“未來環(huán)形對撞機(jī)”（FCC）。根據(jù)對撞機(jī)的形式不同，耗資約為90億到210億歐元。不管哪種形式，一旦建成，F(xiàn)CC將成為有史以來功能最強(qiáng)大的粒子對撞機(jī)。
歐核中心理論部門掌舵人弗朗西斯科·吉迪絲說：“這是一次巨大的飛躍，不是像我們計(jì)劃去火星，而是像我們計(jì)劃去天王星。”
FCC將搜尋新粒子
2012年，LHC發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子，震驚世人，但此后它再沒有發(fā)現(xiàn)任何新粒子。吉迪絲說，這表明我們需要將對撞能量盡可能地提高，“而FCC這類大膽的項(xiàng)目將有助于我們在最基礎(chǔ)層面破解一些自然界的奧秘”。
以色列特拉維夫大學(xué)物理學(xué)家哈利娜·阿布拉莫維奇表示，F(xiàn)CC的潛力“令人興奮”，她們將對此進(jìn)行深入討論，并與其他擬議項(xiàng)目進(jìn)行比較。
根據(jù)歐核中心的報(bào)告，F(xiàn)CC的研究始于2014年，歐盟委員會的“地平線2020”（Horizon 2020）項(xiàng)目也為其提供了資助。
最新報(bào)告稱，最可能的情況是在目前LHC的隧道旁挖一條100公里長的隧道。挖掘隧道和建造其他相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的成本約為50億歐元，然后在這條隧道內(nèi)建造價(jià)值40億歐元的電子—正電子對撞機(jī)，這一對撞機(jī)可在365GeV（吉電子伏特）能量下，粉碎電子及其反物質(zhì)正電子，從而比LHC更精確地研究希格斯玻色子等已知粒子。這項(xiàng)新研究計(jì)劃于2040年左右開始。
長期以來，物理學(xué)家一直打算為LHC尋找“接班人”——建造一臺國際直線對撞機(jī)（ILC），ILC也讓電子和正電子發(fā)生對撞。2012年，日本科學(xué)家提出主導(dǎo)這一設(shè)施的建設(shè)。但鑒于LHC自從希格斯玻色子問世后，在尋找新粒子方面“空手而歸”，因此建造ILC的計(jì)劃目前也岌岌可危，因?yàn)镮LC只能達(dá)到足以研究希格斯的能量領(lǐng)域，而無法發(fā)現(xiàn)任何更高能的粒子（但歐核中心計(jì)劃的FCC有望實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)）。日本政府將在3月7日決定是否仍然主導(dǎo)ILC的建造工作。
最新報(bào)告中提出的另一個(gè)選擇是建造耗資150億歐元、長達(dá)100公里的新一代質(zhì)子—質(zhì)子對撞機(jī)（所謂的強(qiáng)子對撞機(jī)），其能量可以高達(dá)10萬GeV，遠(yuǎn)高于LHC最高16000GeV的能量。
但更可能的情況是，首先建造電子—正電子對撞機(jī)，然后在21世紀(jì)50年代后期，建造新一代質(zhì)子—質(zhì)子對撞機(jī)。
歐核中心的報(bào)告指出，無論哪種方式，更高能量的對撞機(jī)都將搜尋全新的粒子，這些粒子可能比已知的粒子更重，因此需要更多的能量來產(chǎn)生。
報(bào)告同時(shí)也強(qiáng)調(diào)，盡管相關(guān)技術(shù)已經(jīng)取得不少進(jìn)步，但建造這樣的機(jī)器仍面臨不少困難。因此，有人認(rèn)為，比較合理的路徑是首先建造能量更低一點(diǎn)的機(jī)器。吉迪絲說：“如果有一條100公里的隧道明天就準(zhǔn)備好，我們將可以立即開始建造一臺電子—正電子對撞機(jī)，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)已基本存在；但對于對撞能量高達(dá)100TeV的對撞機(jī)所需的磁鐵，還需要進(jìn)行更多研究和開發(fā)工作。”
身價(jià)昂貴引爭議
當(dāng)然，并非每個(gè)人都認(rèn)為超級對撞機(jī)是一項(xiàng)好投資。德國法蘭克福高等研究院理論物理學(xué)家薩賓·霍森菲爾德說：“沒有理由認(rèn)為，在FCC這種對撞機(jī)能達(dá)到的最高能量領(lǐng)域會出現(xiàn)新物理學(xué)。”
而且，霍森菲爾德指出，建造這款對撞機(jī)所需的大筆資金花在其他大型設(shè)施上，可能會獲得更豐厚的回報(bào)。例如，在月球的遠(yuǎn)端放置一個(gè)重要的射電望遠(yuǎn)鏡，或者在其軌道上放置一個(gè)引力波探測器等。
但歐核中心負(fù)責(zé)此次FCC報(bào)告的物理學(xué)家邁克爾·貝內(nèi)迪克特說，無論預(yù)期的科學(xué)成果和回報(bào)如何，這樣的設(shè)施都值得建設(shè)。“這些規(guī)模最大的工作和項(xiàng)目，是連接不同國家和科研機(jī)構(gòu)的橋梁。”
中國的嘗試
中國高能物理研究所所長王貽芳表示，他并不懷疑歐核中心可以實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)項(xiàng)目。“歐核中心有悠久的成功歷史，擁有技術(shù)能力、管理技能，而且與政府的關(guān)系也很好。”
目前王貽芳也在中國領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)類似的項(xiàng)目。他說，中國和歐洲這兩項(xiàng)嘗試的科學(xué)目標(biāo)和技術(shù)可行性都基本相同。而且，大家比較一致認(rèn)為，首先進(jìn)行電子—正電子對撞，然后繼續(xù)深入，建造強(qiáng)子對撞機(jī)。
《自然》網(wǎng)站指出，建造強(qiáng)子對撞機(jī)所需的額外成本大部分來自超導(dǎo)磁體和保持磁體處于低溫狀態(tài)的氦低溫系統(tǒng)。讓強(qiáng)子對撞的FCC將需要使用由超導(dǎo)合金Nb3Tn建造的16特斯拉磁體；而中國目前正致力于研究更先進(jìn)、但目前還不太成熟的鐵基超導(dǎo)體，這種超導(dǎo)體可以在更高一點(diǎn)的溫度下工作。王貽芳說：“如果能在20開爾文做到這一點(diǎn)，那么將獲得巨大的回報(bào)。”
即使粒子物理學(xué)家同意，世界需要一臺100公里長的對撞機(jī)，但目前并不清楚是否需要兩臺。在這種情況下，哪邊先行一步，哪邊就會搶得先機(jī)。
王貽芳說，每臺對撞機(jī)都會進(jìn)行對更廣泛的國際團(tuán)體和群體開放的實(shí)驗(yàn)，所以，從科學(xué)的角度來看，無論哪邊最終建成這樣的設(shè)備，都會讓科學(xué)受益。（記者 劉 霞）