世界不需要新的巨型粒子对撞机

这将耗资数百亿美元,潜在的回报尚不明确——而且这笔钱可以更好地用于研究气候变化和新兴病毒等威胁

CMS探测器,大型强子对撞机的四个主要粒子探测器之一。

现在不是建造更大粒子加速器的合适时机。但是位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心 CERN 有计划——宏大的计划。作为世界上最大的粒子物理设施,目前运行着世界上最大的粒子对撞机,已宣布 其目标是建造一台更大的机器,这在今天的新闻发布会和发布中揭示。

由此,欧洲核子研究中心已决定继续推进未来环形对撞机(FCC)计划的第一步,该对撞机将位于一个周长为100公里(或略超过60英里)的环形隧道中。这台机器最终可能达到100太电子伏特的碰撞能量,约为目前运行的大型强子对撞机(LHC)碰撞能量的六倍。通过达到前所未有的高能量,新的对撞机将能够最深入地观察物质的结构,并有可能发现新的粒子。

整个愿景是否会实现仍不清楚。但欧洲核子研究中心已宣布,将启动FCC的第一步“高度优先”,即为隧道寻找合适的地点,并建造一台机器,以类似于LHC(但LHC使用质子对质子碰撞)的能量碰撞电子和正电子。欧洲核子研究中心是否会继续推进质子之间的高能量碰撞的决定,将在经过多年的研究和审议后才会做出。


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第一步也被称为“希格斯工厂”,因为它专门设计用于产生大量的希格斯玻色子。 希格斯玻色子是2012年在欧洲核子研究中心发现的,是粒子物理学标准模型中最后一个缺失的粒子。借助这台新机器,粒子物理学家希望更详细地测量其性质以及一些先前发现的粒子的性质。(日本正在考虑建造一个线性对撞机,其目的与欧洲核子研究中心的希格斯工厂类似,但负责该想法的委员会在去年的报告中没有做出明确的决定。中国正在考虑建造一个规模和大小与欧洲核子研究中心完整FCC计划相似的环形对撞机,但预计明年才会做出决定。)

但是,如果欧洲核子研究中心的计划完全执行,将耗资数百亿美元。确切的数字尚不可用,因为欧洲核子研究中心提出的预算估算通常不包括运营成本。根据大型强子对撞机的运行成本,新对撞机的这些成本可能至少为每年10亿美元。对于一个可能运行20年或更长时间的设施来说,这与建设成本相当。

毫无疑问,这些数字令人瞠目结舌。事实上,粒子对撞机目前是存在的最昂贵的物理实验。它们的价格标签甚至高于第二昂贵的实验类型——卫星任务中的望远镜。

成本如此之高的主要原因是,自1990年代以来,对撞机技术只有渐进式的改进。因此,今天达到更高能量的唯一方法是建造更大的机器。正是巨大的物理尺寸——漫长的隧道,填充隧道所需的众多磁铁,以及完成这一切所需的所有人员——使得粒子对撞机如此昂贵。

但是,虽然这些对撞机的成本已经膨胀,但它们的相关性却下降了。当物理学家在1940年代开始建造对撞机时,他们没有完整的基本粒子清单,他们也知道这一点。新的测量带来了新的难题,他们建造了更大的对撞机,直到2012年,图像才完整。标准模型仍然有一些未解决的问题,但实验性地测试这些问题将需要比FCC可以测试的能量高至少一百亿倍的能量。因此,目前对于下一个更大的对撞机的科学理由很薄弱。

当然,下一个更大的对撞机有可能做出突破性的发现。例如,一些物理学家希望它可以提供有关暗物质或暗能量本质的线索。

是的,人们可以抱有希望。但是没有理由认为构成暗物质或暗能量的粒子会出现在新设备的能量范围内。而且这是假设它们首先是粒子,但没有证据表明如此。即使它们是粒子,而且,高能碰撞可能不是寻找它们的最佳方式。例如,弱相互作用的微小质量粒子不是人们用大型对撞机寻找的东西。

而且还有完全不同类型的实验可以以远更小的成本带来突破,例如低能量下的高精度测量或增加量子态物体的质量。转向更高的能量不是在物理学基础上取得进展的唯一途径;这只是最昂贵的一种。

在这种情况下,粒子物理学家应该专注于开发可以使对撞机回到合理价格范围的新技术,并推迟挖掘更多的隧道。地平线上最有希望的技术是一种新型的“尾波场”加速,它可以大大缩短加速粒子的距离,从而缩小对撞机的尺寸。另一种具有颠覆性意义的技术将是室温超导体,它可以使对撞机依赖的强磁铁更高效且更实惠。

研究这些新技术也是欧洲核子研究中心的优先事项之一。但是,正如战略更新所揭示的那样,粒子物理学家还没有意识到他们新的现实。建造更大的粒子对撞机已经走到了尽头。今天,它的科学投资回报很少,同时几乎没有社会相关性。大型科学项目往往普遍有利于教育和基础设施,但这并非粒子对撞机所特有的。如果这些副作用是我们真正感兴趣的,那么我们至少应该将我们的资金投入到具有社会相关性的科学研究中。

例如,为什么我们仍然没有一个国际气候预测中心,根据目前的估计,该中心在10年内“仅”花费10亿美元?与粒子物理学吸走的资金相比,这简直是小菜一碟,但重要性却大大提高。或者,您最近可能想知道,为什么我们没有一个流行病建模中心?

这是因为太多的科学资金是根据惯性发放的。在上个世纪,粒子物理学发展成为一个庞大、非常有影响力和联系良好的社区。他们会继续建造更大的粒子对撞机,只要他们能做到,仅仅因为那是粒子物理学家所做的事情,无论这是否有意义。

现在是社会对大型科学项目的资助采取更开明的态度的时候了,而不是继续给那些他们以前给过钱的人。我们有比测量希格斯玻色子质量的下一个数字更大的问题。

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