欧洲核子研究中心公布了其大胆的梦想，即建造一台新的加速器，其长度几乎是其27公里长的大型强子对撞机（目前是世界上最大的）的四倍，功率高达六倍。
这家位于瑞士日内瓦郊外的欧洲粒子物理实验室在1月15日的技术报告中概述了该计划。
该文件为未来环形对撞机（FCC）提供了几个初步设计——这将是有史以来最强大的粒子加速器——不同类型的对撞机成本从约90亿欧元（102亿美元）到210亿欧元不等。这是该实验室在未来两年内名为“欧洲粒子物理战略更新”的优先事项制定过程中的首次出价，它将影响该领域未来直至本世纪下半叶。
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“这是一个巨大的飞跃，就像计划一次不是去火星，而是去天王星的旅行，”欧洲核子研究中心理论部门负责人，并在战略演习的物理预备小组中代表欧洲核子研究中心的吉安·弗朗切斯科·朱迪切说。
在大型强子对撞机在2012年历史性地发现希格斯玻色子之后，该对撞机尚未发现任何新粒子。朱迪切说，这表明有必要尽可能提高能量。“今天，探索具有大胆项目的最高可能能量是我们破解自然界最基本层面的一些奥秘的最佳希望。”
特拉维夫大学物理学家，负责欧洲战略进程的哈丽娜·阿布拉莫维奇说，FCC 这样的机器的潜力“非常令人兴奋”。她补充说，FCC 的潜力将被深入讨论，并与其他拟议的项目进行比较。
欧洲核子研究中心理事会，包括来自成员国的科学家和政府代表，然后将对是否资助该项目做出最终决定。
太贵了吗？
并非所有人都相信超级对撞机是一项好的投资。“没有理由认为在这样的对撞机将达到的能量范围内应该有新的物理学，”德国法兰克福高等研究院的理论物理学家萨宾·霍森菲尔德说。“那是每个人都在考虑但又不想谈论的噩梦。”
霍森菲尔德说，所涉及的大笔资金可能更好地用于其他类型的大型设施。例如，她说，在月球背面放置一台大型射电望远镜，或者轨道上的引力波探测器，就科学回报而言，将是更安全的选择。
但欧洲核子研究中心物理学家，领导 FCC 报告的迈克尔·贝内迪克特说，无论预期的科学成果如何，这样的设施都值得建造。“这些大规模的努力和项目是建立网络，连接跨越国界、国家的研究所的巨大起点。所有这些加在一起，构成了推动此类独特科学项目的非常好的理由。”
虽然霍森菲尔德说，其他大型科学项目也可以提出类似的论点。
选项
欧洲核子研究中心称，FCC 研究始于 2014 年，有 1300 多名贡献者参与，并获得了欧盟委员会 Horizon 2020 研究资助计划的资助。它概述的大多数方案都涉及一条 100 公里的隧道，该隧道将挖掘在现有大型强子对撞机的隧道旁边。欧洲核子研究中心表示，这部分以及地面相关基础设施的成本约为 50 亿欧元。
在这样的隧道中建造的一台价值 40 亿欧元的机器可以将电子及其反物质对应物正电子碰撞，能量高达 365 吉电子伏特。这样的碰撞将使研究人员能够以比质子-质子对撞机（如大型强子对撞机）更高的精度研究已知的粒子，如希格斯玻色子。这项新的研究计划将在 2040 年左右开始，届时大型强子对撞机（包括计划中的升级版本）将完成其运行过程。
物理学家长期以来计划在大型强子对撞机之后建造国际直线对撞机（ILC），该对撞机也将碰撞电子和正电子。日本科学家在 2012 年提出主办。但大型强子对撞机未能找到任何无法预测的现象，这削弱了直线对撞机的理由。这是因为 ILC 只能达到足以研究希格斯玻色子的能量，而不能发现可能存在于更高能量下的任何新粒子，而欧洲核子研究中心计划的对撞机可能会做到这一点。日本政府计划在 3 月 7 日之前决定是否愿意主办 ILC。
报告中概述的另一个选择是在同一隧道中建造一台价值 150 亿欧元的 100 公里质子-质子对撞机（也称为强子对撞机），它可以达到高达 100,000 GeV 的能量，远高于大型强子对撞机的最大能力 16,000 GeV。但更可能的方案是首先建造电子-正电子机器，然后在 2050 年代后期继续建造质子-质子对撞机。无论哪种方式，更高能量的机器都将寻找全新的粒子，这些粒子可能比已知的粒子更重，因此需要更多的能量才能产生。
强子对撞机仅比超导超级对撞机长 15%，后者是德克萨斯州的一个项目，在 1990 年代因成本问题而被放弃，当时其隧道已在建设中。但由于技术进步，特别是在弯曲质子路径绕环的磁体方面，它碰撞粒子的能量将是其两倍以上。
仍然需要进行大量的研究和开发，这也是首先建造低能量机器可能更有意义的原因之一。“如果我们明天准备好一条 100 公里的隧道，我们可以立即开始建造电子-正电子对撞机，因为这项技术基本上已经存在，”朱迪切说。“但是 100 万兆电子伏特对撞机所需的磁体还需要更多的研究和开发。”
中国的竞争对手
中国北京高能物理研究所（IHEP）所长王贻芳表示，他毫不怀疑该实验室能够完成这样一个项目。“欧洲核子研究中心有着悠久的成功历史。它拥有技术能力、管理技能以及与政府的良好关系，”他说。
王正在中国领导一个类似的项目，他说，令人欣慰的是，双方的努力在科学目标和技术可行性方面得出了基本相同的结论。他说，特别是，首先进行电子-正电子碰撞，然后再进行强子碰撞是一个自然的选择。
强子对撞机增加的大部分成本将来自对强大的超导磁体和巨大的氦低温系统的需求，以保持它们的低温。强子碰撞 FCC 的目标是基于超导合金 Nb3Tn 的 16 特斯拉磁体，这将是大型强子对撞机的两倍强大，原则上只需要稍微温暖的温度。另一方面，中国正在推动更先进但未经证实的铁基超导体，这可以将温度推得更高。“如果你能在 20 开尔文下做到这一点，那么你就能节省大量资金，”王说。
即使粒子物理学家都同意世界需要一台 100 公里的对撞机，但尚不清楚是否需要两台。无论哪一方首先启动这样一个项目，都可能会抢占另一方的努力。王说，无论哪一台对撞机最终建成，都将举办向更广泛的国际社会开放的实验，因此从科学角度来看，这不会有什么区别。
本文经许可转载，并于2019年1月15日首次发表。