中國是否應該建大型對撞機？就在我們再次討論這個問題時，歐洲傳來消息：歐洲粒子物理學界本周將在西班牙格拉納達召開會議，其中一個重要議題就是新一代大型對撞機。
大型強子對撞機（LHC）宣布發現“上帝粒子”三年后，歐洲核子研究中心（CERN）開始思考這位“英雄”的升級版。
歐洲核子研究中心總干事 說：“我們至少需要 20 年的時間來設計和建造一臺新的對撞機。”
20年聽起來很長，但回顧LHC的誕生，我們就會發現這種說法并不夸張。
歐洲：轉眼間二十??八年過去了
在寧靜的瑞法邊境地下50至175米深處，有一條周長26.7公里的圓形隧道，里面就是舉世聞名的LHC（大部分時間，對撞機內部熙熙攘攘）。2012年7月4日，歐洲核子研究中心宣布探測到標準模型中的“上帝粒子”——希格斯玻色子。此時，距離首次提出建造大型對撞機的想法，已經過去了28年。
成長的起伏
20世紀80年代，歐洲核子研究中心的大型正負電子對撞機（LEP）建成。這臺對撞機呈環形，周長達到驚人的27公里，是人類迄今建造的最大正負電子加速器。從1989年投入運行到2000年停止運行，LEP的對撞能量從開始的約91GeV逐漸上升到峰值。
為了獲得更高的碰撞能量，建造強子對撞機（質子-質子對撞）的計劃被提上日程。1984年3月，CERN與歐洲未來加速器委員會（ICFA）在瑞士洛桑召開工作會議，LHC的概念在這次會議上首次得到官方認可。
三年后，LHC項目遇到了強勁的對手。1987年1月30日，美國政府批準了超導超大型加速器（SSC）項目。在美國科學家的規劃中，SSC位于一個周長87公里的隧道內，可以粉碎質心能量為40TeV的粒子，比LHC強大得多。盡管該項目對LHC構成了極大威脅，但CERN仍努力保住了LHC項目。
原本前景光明的 SSC 項目進展并不順利。隨著建設的推進，預算從最初的 44 億美元飆升至 110 億美元。此外，SSC 還面臨項目領導和管理結構等問題。最終，SSC 項目于 1993 年 10 月正式停止。至此，LHC 成為新一代高能粒子對撞機的唯一候選。此時，CERN 的科學家們正孜孜不倦地修改計劃，以簡化設計并降低成本。
1994年12月，CERN委員會批準建造LHC，并于次年10月正式公布了LHC項目概念設計報告。
在接下來的四年里，委員會批準了目前在 LHC 上運行的四項重要探測實驗：緊湊型μ子螺線管（CMS）、先進環形儀器（ATLAS）、大型離子對撞機實驗（ALICE）和 LHCb。委員會還同意日本和美國成為觀察員國并加入 LHC 項目。
2008年9月10日，LHC首次啟動測試，一切順利。然而，9天后，用于冷卻超導磁體的液氦發生嚴重泄漏。經過一年的維護，LHC才得以恢復運行。
2009年，LHC開始首次運行。2010年，ATLAS實驗探測到LHC撞擊質心能量首次達到7TeV，這讓全球物理學家興奮不已，期待新物理帶來重大科學收獲。
終于，2012年7月4日，ATLAS和CMS實驗組同時宣布發現了“上帝粒子”——希格斯玻色子。找到“上帝粒子”是LHC項目的目標之一，如今他們終于如愿以償。
（照片：金斯基）
未來環形對撞機
2019年初，LHC完成第二輪運行后不久，CERN便公布了建造新一代對撞機的想法，未來環形對撞機（FCC）項目應運而生。對于CERN來說，這恰恰是一個蓄謀已久的升級計劃。
時任歐洲核子研究中心加速器與磁體技術部門主任的費德里科·布羅德里表示：“LHC還將經歷兩輪升級，并最終于2040年停止工作。從LHC的構思到最終完成，用了近25年的時間，所以現在是時候考慮LHC的繼任者了。我們從2015年開始探索此事，今年提出的FCC是后LHC對撞機的可能選項之一。”
“相比大型強子對撞機27公里的圓形周長，FCC隧道的周長接近100公里。第一階段將建造一臺電子-正電子對撞機，隨后是質子-質子對撞機。當然，也可以直接建造質子-質子對撞機。所有這些都需要通過歐洲粒子物理戰略更新項目報告進一步討論。”廣義介紹道。
目前，CERN的技術團隊一直在研發LHC后對撞機所需的各項技術，其中最關鍵的一項就是加速器磁體材料。據CERN技術部門大型磁體設備研究員阿諾德·德·弗里德介紹，他們目前已經發現了一種金屬間化合物Nb3Sn。這種化合物雖然能在20T以上的磁場中運行，但其力學性能并不理想。如何解決這個問題是一個艱難的挑戰。
除了技術條件，外界還一直在談論FCC項目的巨額預算——不同設計的建設成本從90億歐元到210億歐元不等。對此，布羅德里認為，FCC項目是一個跨越20多年的全球合作項目，涉及很多工作，包括技術研發、建設項目等。此外，回顧過去的大型項目（包括LHC），也投入了巨額資金。結果，不僅收獲了大量的研究成果，基礎物理研究中的很多技術也被應用于現實社會。從長遠來看，巨額的投入有望為社會帶來豐厚的回報。
CERN對FCC項目充滿信心，自2015年起，科學家們便開始研究，花了三年時間撰寫了四卷FCC概念設計報告。FCC項目的優勢在于，從LEP到LHC的建設經驗豐富、研究成果多樣，有全球科學家智慧開展進一步技術研發，也有與政府和組織、大學和研究機構的良好合作關系。當然，布羅德里表示，最終做出決定的過程可能相當漫長。
日本：學術界熱情高漲，但政府卻拖拖拉拉
除了中國和歐洲，日本也在推進自己的對撞機項目——國際直線對撞機（ILC）項目。這種對撞機為直線型，與環形對撞機（如LHC）相比有著獨特的優勢。
項目起源
環形加速器的設計會產生很大的能量損失。帶電粒子在磁場中沿弧線運動時會產生電磁輻射，即同步輻射，其能量與束流能量的四次方成正比。這意味著在較高能量區，環形加速器的效率會大幅下降，對撞機的成本也會變得難以承受。
為了達到更高的能量水平，物理學家們把目光轉向了直線加速器。直線加速器無法以圓形堆疊能量，因此通常更長；但與圓形加速器相比，其建造成本要便宜得多。
在歐洲建造LEP的同時，美國斯坦福線性加速器中心（SLAC）也建造了一臺對撞機——斯坦福線性對撞機SLC（SLAC）。這是世界上第一臺線性對撞機。SLC在1989年至1998年的運行中，取得了許多優異的成果，驗證了線性碰撞的原理。這為國際線性對撞機（ILC）計劃的提出奠定了基礎。
ILC的誕生
當LEP和SLC還在滿負荷運轉的時候，物理學家們已在規劃未來的高能直線對撞機，并提出了幾種相互競爭的加速技術；隨后的討論也集中在控制成本的問題上。
2004年，國際專家組經過評估，決定在ILC上使用德國DESY實驗室研發的超導技術。該技術曾在德國歐洲X射線自由電子激光器（E-XFEL）上進行過測試。E-XFEL采用768個超導鈮腔，將電子加速到17.5GeV，某種程度上可以看作是ILC的雛形。
2005年，加州理工學院的巴里·巴里什（2017年諾貝爾物理學獎獲得者）成為ILC項目的領導者。
在第一個實驗設計中，ILC是一臺20公里長的對撞機，運行能量為1 TeV；未來，加速器的隧道可以延長18.6公里，使能量提高到1 TeV。
2007年，科學家提出了新的參考方案，他們希望利用兩臺12公里長的直線加速器分別加速正電子和負電子，這一設計的成本約為67億美元。
此前曾組織建造LHC的林恩·埃文斯于2013年出任ILC項目主任，全面負責ILC的設計工作。同年7月，五卷本的ILC設計報告發布，它將擁有31公里長的超導腔道，能將電子加速到。
日本粒子物理學會早在2011年就盯上了ILC項目，宣布將競標ILC的承建權，候選地點包括九州和巖手。日本物理學會很快表示支持該計劃，希望承建ILC，他們提供的潛在地點位于東京以北400公里的東北地區。最終，ILC委員會將地點定在了巖手縣。
日本高能加速器研究機構（KEK）在2016年公布了長達12頁的計劃——科學家和工程師已經就位，日本科學家甚至邀請Hello Kitty來代表ILC，等待日本政府與其他國家展開共同建設ILC的談判。
（來源：）
卡住
然而，政府在是否支持 ILC 的問題上一直猶豫不決。
2017年，物理學家們提出了一個替代方案。他們打算將ILC的能量降低到250 GeV——以研究125 GeV的希格斯玻色子；同時，隧道長度也縮短到20公里。在后續發展中，還有將能量提升到1 TeV左右的選項。
雖然希格斯玻色子是在大型強子對撞機（LHC）發現的貝語網校，但LHC的質子對撞會產生大量“碎片”，影響測量精度；電子和正電子屬于基本粒子，它們的碰撞更加“干凈”，這意味著ILC可以將精度提高到更高的水平。
負責監督 ILC 工作的國際未來加速器委員會（ for ，簡稱 FACC）已認可該計劃。顯然，這一緊縮計劃意在提高 ILC 的可接受性，但預計成本仍高達 75 億美元。
但去年，該計劃遭遇挫折，日本學術會議獨立委員會指出，國際連線中心沒有得到足夠的國際支持，其在科研之外的重要性“不明確”且“有限”。從這些角度來看，日本學術會議并不支持在日本建設國際連線中心。
鑒于歐洲粒子物理學家正在考慮建造新一代大型強子對撞機，并將于2020年發布相關報告，ILC委員會給日本政府設定了2019年3月的最終決定期限。今年3月7日，日本政府如約作出回應，但遺憾的是，日方并未承諾承建ILC。
日本政府在公開文件中表示，他們同意日本粒子物理學會的意見，認為ILC項目值得繼續探索；但為了使該項目取得實質性進展，需要成功的國際談判以及各國的技術和（特別是）資金支持。日本可以提供75億美元總成本中的一半，其余部分將由美國、歐洲和加拿大等伙伴國家承擔。
政府提出的另一個條件是，ILC需要得到日本科學界更廣泛的支持。這意味著，只有完成必要的程序后，ILC才能被納入文部科學省（MEXT）制定的下一代大型科學項目路線圖中。2017年的路線圖中就包括超級神岡中微子探測器和大型強子對撞機的亮度升級。
政府還表示，ILC 必須納入 SCJ 大型項目總體規劃中，該規劃預計在今年 10 月才能最終完成。
在聽到政府的聲明后，國際未來加速器委員會主席杰弗里·泰勒在東京大學的新聞發布會上表示：“我們感到失望。”但他也肯定了日本政府的持續興趣，并表示：“我們將等待政府承諾主辦國際未來加速器大會。”
但牛津大學的布萊恩·福斯特 (Brian Furst) 是 ILC 全球設計工程的歐洲主管，他說：“很難相信日本政府會認真對待此事。這種拖延似乎是日本人說‘不’的典型方式。”他補充說，政府現在已將決策過程提交給 SCJ，而 SCJ 對 ILC 表現出了明顯的熱情不足。在啟動儀式上，有人指出Fabiola物理學家，費用分攤談判將由 KEK 粒子物理實驗室的官員組織。但福斯特警告說，這是“浪費時間”。“談判需要在更高層面上進行，”他補充道。
去哪兒？
雖然CERN的FCC項目和中國的環形正負電子對撞機（CEPC）都是環形對撞機，但ILC并非沒有競爭對手。事實上，國際未來加速器委員會（ICFA）還有另一個競爭項目——CLIC。該項目由CERN牽頭。與ILC相比，CLIC將提供更高的碰撞能量，最高可達3TeV左右。
從目前來看，日本政府的表態不會對CLIC造成大的影響；關注直線對撞機的物理學家們也不會因為討論ILC而放棄CLIC。
牛津大學粒子物理學家、CLIC 發言人菲利普·伯羅斯 ( ) 認為，ILC 對日本來說是一扇“真正的機遇之窗”。“但它不會開放太久——人類必須繼續前進，其他項目也在向前推進。”
“失望”的粒子物理學家約翰·埃利斯說，目前來看，歐洲的粒子物理戰略規劃必須在ILC被取消的假設下進行；正在討論的其他計劃，如CLIC、FCC和中國的環形正負電子對撞機（CEPC）Fabiola物理學家，可以“做類似的物理研究，為科學界鋪平道路”。
中國：過去一年取得了哪些進展？
自2012年發現希格斯玻色子以來，中國高能物理界開始考慮建造自己的大型對撞機。2012年9月，中國科學家提出了建造下一代環形正負電子對撞機（CEPC）的計劃，并在適當的時候將其改造成高能質子對撞機（SppC）。
但當國內民眾談起這個計劃，首先想到的可能還是社交媒體上的熱議。盡管一路上反對聲不斷，但CEPC團隊始終沒有停下前進的腳步。
2018年6月28日至30日，環形正負電子對撞機（CEPC）加速器概念設計報告國際評審會在中國科學院高能物理研究所召開。CEPC團隊根據評審意見，對概念設計報告進行了修改并完成。
2018年11月14日，環形正負電子對撞機（CEPC）科研團隊正式發布兩卷CEPC概念設計報告（CDR），分別為《概念設計報告-加速器卷》和《概念設計報告-探測器與物理卷》。設計報告詳細評估了CEPC相較于LHC的科學優勢，其內容囊括了近6年來數千位科學家的研究成果。
“我祝賀 CEPC 在概念設計報告中取得的重要成果，這是基礎研究大型科學設施發展的一個重要里程碑，”杰弗里·泰勒說。“毫無疑問，國際高能物理界非常渴望參與 CEPC 的發展和未來的科學實驗，這將極大地促進對物質最基本組成部分的更深入理解。”
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顯而易見，歐洲、日本和中國都將目光瞄準了大型對撞機領域，并為此做出了長期的努力。無論是CERN的FCC項目、CLIC項目，還是日本的ILC項目，還是中國的CEPE項目，物理學家們都希望通過對希格斯粒子等粒子的精準研究，打開“新物理”的大門，這是我們超越標準模型的機會。
雖然這四個項目處于競爭狀態，但科學家們認為，無論哪一個（或者哪兩個）最終實現，都將是一個全球性的合作項目，畢竟沒有哪一方能夠獨自承擔下一代大型對撞機的“費用”。
誰來決定大型強子對撞機的未來？答案可能不是歐洲、日本或中國，而是世界各地的科學家。
參考
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