他国如何取舍

2020-02-12

科学大观园 2020年1期

20世纪中后期以来，科学发展的一个重要特征是大科学装置的出现。在此背景下，大型对撞机应运而生。然而，因其规模大、建设周期长、投资巨大，到底是否要建，各国掂量再三。

美国：放弃“烧钱”竞争

美国超导超级加速器（SSC）建设项目在上世纪的“夭折”，是美国科学史上的伤心往事，不少高能物理研究人员提起此事都叹息连连。美国从大型对撞机竞争中“出局”，此后也未就开建新一代大型对撞机有新规划。

在SSC项目选址地得克萨斯州爱丽丝，已建成的22.5公里的地下隧道被弃。美国物理学会会士韩涛对记者说：“宣布终止SSC让高能物理研究的中心从美国移到欧洲。”

SSC对撞能量达40TeV（万亿电子伏特）。然而该项目经过几年建设，在完成了约20%、花掉了20亿美元后于1993年被美国国会取消。当年美国物理学界分为两派，反对建设方主要担心对撞机挤占其他基础科学研究经费，影响力最大的声音来自诺贝尔奖得主菲利普·安德森。

菲利普·安德森曾在接受记者采访时说：“我认为反对建设超级对撞机终究还是对的。”他认为，粒子物理学家太执着于高能量对撞这个代价极大的单一研究方式，而忽略了其他重要的实验事实（比如暗能量、丢失零点能、暗物质等问题）比追逐高能量还有意义。

如今，美国最高能量的对撞机是始建于1983年的费米实验室的加速器Tevatron，对撞能量为1.96TeV。美国更寄望通过中微子研究揭示“标准模型”外的秘密。费米实验室计划耗资10亿美元建造长基线中微子设施，于2026年向不同探测器发射中微子束，成为世界中微子研究的领导者。

欧洲：谨慎决定未来方向

欧洲拥有全球最大、能量最高的粒子加速器——大型强子对撞机（LHC），其质子对撞能量为14TeV，轨道长度27公里，有来自30多个国家的超过2000名物理学家参与。研究者所属的大学与实验室共同出资兴建这一耗资约80亿美元的“大家伙”。LHC所在的瑞士日内瓦与法国交界地区已发展为一座汇聚全球研究者的科学中心，有100多位中国研究者在那里工作。

2012年，科学家宣布利用LHC发现了被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子，完成了粒子物理所谓的“标准模型”。然而，LHC目前已经达到其设计能量，要进一步寻找新粒子，需建设能量和精度更高的机器。

当地时间2018年12月3日，LHC二期运行结束，进入第二次长停机阶段，进行大规模升级，无数科学家迫切期待“王者”早日归来。

据2019年12月17日消息，欧洲核子研究中心（CERN）管理层12日向理事会提交的新日程表显示，LHC将于2021年5月重启，并一直运行到2024年底。2025年将再开启新一轮升级，直到“高亮度LHC”于2027年“闪亮登场”。继任者“高亮度LHC”将比LHC产生更多碰撞，预计在整个运行期间积累的数据量将超过LHC的10倍。

2019年1月15日，在中国完成大型环形正负电子对撞机（CEPC）概念设计报告两个月后，CERN也公布了 “ 未来环形对撞机 ”（FCC）的概念设计报告，提出投巨资分两步建设下一代超级对撞机，计划在本世纪50年代完成建设。根据新报告，FCC将成为LHC的继任者。

CERN加速器和技术总监弗雷德里克·博尔德里说，FCC的最终目标是提供一个100公里长的环形超导质子加速器，其能量可达100TeV，比现有的大型强子对撞机高一个数量级。

根据这份报告，FCC的建设将分两步进行。第一步是投入90亿欧元，完成100公里的隧道建设，并建设一个大型的正负电子对撞机，预计这一步工作可在2040年前后完成;第二步是再投入150亿欧元，完成超导质子加速器的建设，预计能在本世纪50年代后期投入使用。

该中心表示，FCC构想如能实现，将以前所未有的能量让基本粒子碰撞，能用于精确研究希格斯粒子之间如何相互作用，还有助于探索暗物质、反物质等。