CERN 的下一个大项目

大型强子对撞机 (LHC) 是世界上最大的粒子加速器。但是，经过 10 年的运行，现在是时候考虑下一步了。随着一项已批准的升级——高亮度 LHC——以及未来可能的对撞机的设计研究被提上议程，人们正集中精力开发新技术。

2008 年 9 月，当物理学家和工程师庆祝大型强子对撞机 (LHC) 中的第一束粒子束时，CERN 控制室里香槟酒瓶塞砰然作响。这是一个激动人心的科学十年的开始，其中最引人注目的是希格斯玻色子的发现。LHC 证实了粒子物理学标准模型的许多预测，但也提出了令人不安的问题——例如，为什么希格斯玻色子如此轻，以及为什么没有超对称的迹象。十年过去了，物理学家感到越来越大的压力，要找到这些问题的答案。下一代粒子对撞机可能是揭示标准模型之外物理学所需要的。

CERN 正在处理这个问题。一项升级已经在进行中，将于 2026 年投入运行：高亮度 LHC (HL-LHC) 将安装在 LHC 隧道中，但配备了创新的磁铁和射频 (RF) 腔，这将大大提高亮度（即测量的统计数据）。能量将与 LHC 的能量（14 万亿电子伏特 [TeV]）相同，计划是使用 HL-LHC 将 LHC 的运行寿命延长至 2040 年。

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但科学界已经在展望 2040 年以后对撞机物理学的未来，并且关于在 CERN 建造环形对撞机的三项提案已摆在桌面上。未来环形对撞机 (FCC) 有两种选择，它们可以安装在新的 100 公里长的隧道中：轻子-轻子对撞机或强子-强子对撞机，能量为 100 TeV。或者，在较小的规模上，高能 LHC 可以在现有的 LHC 隧道中运行，但使用新的磁铁达到 27 TeV 的能量。“如果一切顺利，这可能是一段漫长的旅程——几代人的旅程，”FCC 国际顾问委员会主席兼 ETH 物理学教授 Günther Dissertori 评论道。

一个新的大型环形对撞机是 CERN 许多人的首选。轻子和强子对撞机可以一个接一个地实施，就像 CERN 的大型正负电子对撞机 (LEP) 从 1989 年到 2000 年，然后是 LHC 从 2008 年开始一样。轻子对撞机将运行 15 年，对已知粒子进行精确测量，并可能测量与标准模型预测的偏差；在这段时间内，强子对撞机所需的磁铁技术将成熟，然后可以使用强子机器在比当前可用能量高得多的能量下寻找新粒子。“这个方案包是使整个项目如此有趣的原因；正是这种组合造就了物理学，”Dissertori 补充道。

然而，还需要大量的技术开发，特别是对于加速粒子的射频腔和弯曲和聚焦粒子束的磁铁。两者都需要由高性能超导材料制成：腔体需要承受在其内部产生的极高电场，磁铁需要承受强度足以产生所需高磁场的电流，这决定了粒子束的最大能量。

已批准的升级：HL-LHC

粒子物理学家所说的“亮度”是指每平方厘米每秒探测器中可以产生的碰撞次数。更多的碰撞意味着更好的统计数据，从而有更好的机会研究非常罕见的过程。HL-LHC 的亮度将比 LHC 高 10 倍，因此希望观察到与标准模型预测的细微偏差。

高亮度升级的核心是由 Nb₃Sn 制成的磁铁——这是一种以前从未在加速器中使用过的超导材料。这些磁铁可以达到高达 12 特斯拉的磁场（LHC 使用 Nb-Ti 磁铁，产生 8 特斯拉的磁场）。CERN 和美国合作实验室正在测试不同的磁铁设计，经过两年的工作，性能正在接近所需的规格。HL-LHC Nb₃Sn 磁铁将通过 1.9 开尔文超流体氦冷却，但也可以在 4.2 开尔文下运行，而 LHC 的 Nb-Ti 磁铁需要冷却到 1.9 开尔文。这似乎只是一个小小的差异，但节能效果将是巨大的。

Nb₃Sn 是 CERN 未来所有高场磁铁的首选超导体，但使用起来并不简单。在其超导形式中，Nb₃Sn 像玻璃一样脆，因此无法承受电缆制造过程。因此，必须首先将由 Nb 和 Sn 组成的非超导线嵌入铜基体中组装成电缆，然后进行数天的热处理，使其反应成超导 Nb₃Sn 相。对于 HL-LHC，所有电缆都将在 CERN 或美国的合作实验室制造。

另一种将在 HL-LHC 中发挥重要作用的超导材料是 MgB₂，它的临界温度为 39 开尔文，因此可以用气态氦冷却。它将用于将电流从电源转换器传输到加速器磁铁的电力线中。作为一项副产品，CERN 的研究人员目前正在与公司合作开发电力线，以减少配电过程中的低效率。

HL-LHC 必须开发的另一个关键部件是新型射频腔，称为蟹形腔，由块状 Nb 制成。它们的形状呈特殊几何形状，可以倾斜粒子束，从而最大限度地提高碰撞点处的重叠，从而增加碰撞次数。蟹形腔目前正在超质子同步加速器 (SPS) 中进行测试，超质子同步加速器是 CERN 较旧的粒子加速器之一。最后，为了应对更高数量的粒子，必须改进准直器，准直器可以吸收偏离粒子束的粒子。

除了科学任务外，HL-LHC 还充当 FCC 中将使用的新技术的验证器，例如 Nb₃Sn 磁铁。“我们需要测试新材料，否则，谁会为基于未经测试的技术的 FCC 付费呢？”HL-LHC 项目负责人 Lucio Rossi 评论道。

拟议的升级：FCC

如果获得批准，FCC 将在粒子加速器的能量前沿工作，并为高能物理学的未来奠定基础。超过 135 个国际机构参与该项目合作。建造工程将于 2028 年开始，并于 2040 年竣工。

FCC 将包括一个 100 公里的环形加速器、16 特斯拉磁铁和下一代超导射频腔。该环将连接到当前的加速器，这些加速器将用作注入器机器——事实上，在 CERN，过去的每个加速器都会注入到新的加速器中。

轻子对撞机可以提供标准模型已知粒子的超精确测量，以确定其精确参数。它将以 90 吉电子伏特 (GeV) 至 365 GeV 的能量碰撞粒子。与 LHC 达到的碰撞能量相比，这些能量较低，但与研究 W 和 Z 玻色子、希格斯玻色子和顶夸克（它们的质量分别为 80 GeV、91 GeV、125 GeV 和 173 GeV）相关。轻子对撞机还将充当希格斯工厂，产生数十亿个希格斯玻色子，并允许详细研究它们的耦合和相互作用。

强子对撞机可以产生质量更高（高达 20-30 TeV）的粒子，这些粒子超出了 LHC 的能量限制。将探测全新的能量尺度。然而，在 FCC 成为现实之前，还需要大量的技术发展。主要的研发计划集中在高场超导磁铁和超导射频腔上，并且不要忘记，还需要建造一条 100 公里长的环形隧道。为此，已开发出新的土木工程软件，以优化法国和瑞士之间山区地区的隧道挖掘。该隧道将是世界上最长的隧道（目前最长的哥达隧道长 57 公里），隧道挖掘和基础设施成本将约占 FCC 预算的 30%。

磁铁——一切都与超导性有关

虽然 Nb₃Sn 磁铁将用于 HL-LHC，但要达到 FCC 所需的 16 特斯拉磁场，还需要进一步改进。因此，CERN 的一项主要研究计划侧重于提高 Nb₃Sn 磁铁性能的不同方案，例如，通过引入新的生产工艺以及通过晶粒细化和人工钉扎来优化 Nb₃Sn 的临界电流密度。“未来更高能量加速器的磁铁需要对超导体进行基础研究，以实现性能和成本目标，”CERN 的 Amalia Ballarino 说。

世界各地的实验室也在开发和测试各种其他超导材料，但通常只能制成薄膜形式，并且难以大规模生产。还在讨论使用高温超导体的可能性，但这些材料尚不成熟（尽管中国拟议的大型环形对撞机的设计，其直径也将为 100 公里，包括用于磁铁的高温超导体）。

一旦磁铁准备就绪，还需要优化加速器中不同元件之间的互连。因此，科学家和工程师从一开始就进行合作非常重要。“这不是火箭科学，但这非常复杂，”Rossi 说。“年龄大了，我意识到接口的重要性：如果焊接不起作用，一切都将不起作用。”

射频腔——未来的材料挑战

在 FCC 中，同步辐射造成的能量损失将高达 100 兆瓦。它们需要通过超导射频腔进行补偿，超导射频腔需要非常有效地加速粒子束；因此，射频腔研究需要取得巨大的进步。

射频腔中的电磁场以特定频率振荡，提供加速粒子所需的电磁场。腔体的形状和尺寸决定了谐振频率。CERN 目前正在测试各种腔体结构和材料加工方法。纯 Nb 是这里的首选超导体——没有太多其他与射频腔兼容的超导材料。此外，还生产了带有 Nb₃Sn 涂层的实验原型腔；然而，当涉及到射频腔时，Nb₃Sn 的脆性带来了更大的挑战，因为为了使腔体在特定频率下谐振（调谐），必须对其进行轻微变形。CERN 的研究人员目前还在研究在铜腔内部涂覆 Nb₃Sn 的可能性，使用中间钽层以避免铜扩散到超导层中。他们还在测试替代调谐方法，以避免 Nb₃Sn 开裂。

未来

LHC 是工程学的奇迹。建造更大的对撞机似乎是不可思议的，但正如让-吕克·皮卡德舰长所说，“事情只有在实现之前才是不可思议的。”而且，梦想远大的不仅是 CERN：未来对撞机的各种方案正在讨论中，包括日本的直线对撞机和中国的环形对撞机。但无论未来的哪个对撞机成为现实，除了它们在科学发现方面的潜力外，这些大型机器无疑将对材料科学和工程的进步产生巨大影响。

本文经许可转载，并于 2019 年 1 月 8 日首次发表。