未来环形对撞机（艺术图）图片来源：《自然》网站

据英国《自然》杂志官网报道，欧洲核子研究中心（CERN）15日发布了一项雄心勃勃的计划——建造一台新的加速器，其长度是现在世界上功能最强大的对撞机——27公里长的大型强子对撞机（LHC）的4倍，最高能量将为LHC的6倍。欧核中心希望，这台新设备能发现新粒子并带来新物理学。

据悉，拟议的新设备名为“未来环形对撞机”（FCC）。根据对撞机的形式不同，耗资约为90亿到210亿欧元。不管哪种形式，一旦建成，FCC将成为有史以来功能最强大的粒子对撞机。

欧核中心理论部门掌舵人弗朗西斯科·吉迪丝说：“这是一次巨大的飞跃，不是像我们计划去火星，而是像我们计划去天王星。”

FCC将搜寻新粒子

2012年，LHC发现希格斯玻色子，震惊世人，但此后它再没有发现任何新粒子。吉迪丝说，这表明我们需要将对撞能量尽可能地提高，“而FCC这类大胆的项目将有助于我们在最基础层面破解一些自然界的奥秘”。

以色列特拉维夫大学物理学家哈利娜·阿布拉莫维奇表示，FCC的潜力“令人兴奋”，她们将对此进行深入讨论，并与其他拟议项目进行比较。

根据欧核中心的报告，FCC的研究始于2014年，欧盟委员会的“地平线2020”（Horizon 2020）项目也为其提供了资助。

最新报告称，最可能的情况是在目前LHC的隧道旁挖一条100公里长的隧道。挖掘隧道和建造其他相关基础设施的成本约为50亿欧元，然后在这条隧道内建造价值40亿欧元的电子—正电子对撞机，这一对撞机可在365GeV（吉电子伏特）能量下，粉碎电子及其反物质正电子，从而比LHC更精确地研究希格斯玻色子等已知粒子。这项新研究计划于2040年左右开始。

长期以来，物理学家一直打算为LHC寻找“接班人”——建造一台国际直线对撞机（ILC），ILC也让电子和正电子发生对撞。2012年，日本科学家提出主导这一设施的建设。但鉴于LHC自从希格斯玻色子问世后，在寻找新粒子方面“空手而归”，因此建造ILC的计划目前也岌岌可危，因为ILC只能达到足以研究希格斯的能量领域，而无法发现任何更高能的粒子（但欧核中心计划的FCC有望实现这一点）。日本政府将在3月7日决定是否仍然主导ILC的建造工作。

最新报告中提出的另一个选择是建造耗资150亿欧元、长达100公里的新一代质子—质子对撞机（所谓的强子对撞机），其能量可以高达10万GeV，远高于LHC最高16000GeV的能量。

但更可能的情况是，首先建造电子—正电子对撞机，然后在21世纪50年代后期，建造新一代质子—质子对撞机。

欧核中心的报告指出，无论哪种方式，更高能量的对撞机都将搜寻全新的粒子，这些粒子可能比已知的粒子更重，因此需要更多的能量来产生。

报告同时也强调，尽管相关技术已经取得不少进步，但建造这样的机器仍面临不少困难。因此，有人认为，比较合理的路径是首先建造能量更低一点的机器。吉迪丝说：“如果有一条100公里的隧道明天就准备好，我们将可以立即开始建造一台电子—正电子对撞机，因为这项技术已基本存在；但对于对撞能量高达100TeV的对撞机所需的磁铁，还需要进行更多研究和开发工作。”

身价昂贵引争议

当然，并非每个人都认为超级对撞机是一项好投资。德国法兰克福高等研究院理论物理学家萨宾·霍森菲尔德说：“没有理由认为，在FCC这种对撞机能达到的最高能量领域会出现新物理学。”

而且，霍森菲尔德指出，建造这款对撞机所需的大笔资金花在其他大型设施上，可能会获得更丰厚的回报。例如，在月球的远端放置一个重要的射电望远镜，或者在其轨道上放置一个引力波探测器等。

但欧核中心负责此次FCC报告的物理学家迈克尔·贝内迪克特说，无论预期的科学成果和回报如何，这样的设施都值得建设。“这些规模最大的工作和项目，是连接不同国家和科研机构的桥梁。”

中国的尝试

中国高能物理研究所所长王贻芳表示，他并不怀疑欧核中心可以实现这样一个项目。“欧核中心有悠久的成功历史，拥有技术能力、管理技能，而且与政府的关系也很好。”

目前王贻芳也在中国领导一个类似的项目。他说，中国和欧洲这两项尝试的科学目标和技术可行性都基本相同。而且，大家比较一致认为，首先进行电子—正电子对撞，然后继续深入，建造强子对撞机。

《自然》网站指出，建造强子对撞机所需的额外成本大部分来自超导磁体和保持磁体处于低温状态的氦低温系统。让强子对撞的FCC将需要使用由超导合金Nb3Tn建造的16特斯拉磁体；而中国目前正致力于研究更先进、但目前还不太成熟的铁基超导体，这种超导体可以在更高一点的温度下工作。王贻芳说：“如果能在20开尔文做到这一点，那么将获得巨大的回报。”

即使粒子物理学家同意，世界需要一台100公里长的对撞机，但目前并不清楚是否需要两台。在这种情况下，哪边先行一步，哪边就会抢得先机。

王贻芳说，每台对撞机都会进行对更广泛的国际团体和群体开放的实验，所以，从科学的角度来看，无论哪边最终建成这样的设备，都会让科学受益。