歐洲核子研究中心(CERN)的物理學家們公佈了一種周長為100公里的大型粒子加速器的藍圖，該加速器將被用於以前所未有的細節研究希格斯玻色子，並探索新的物理學。今天，為未來的圓形對撞機(FCC)發佈了概念設計報告。FCC是一種地下粒子對撞機，將與日內瓦附近現有的大型強子對撞機(LHC)相連。
大型強子對撞機自2008年首次啟動以來，這臺周長27公里的粒子對撞機一直在以高達13 TeV的能量將質子碰撞在一起，以尋找新的粒子。2012年，物理學家宣佈他們發現了質量為125gev的希格斯玻色子。這導致弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)和彼得·希格斯(Peter Higgs)獲得2013年諾貝爾物理學獎，以表彰他們對粒子的理論預測工作。然而，從那以後，沒有發現超過標準模型的粒子，比如超對稱夥伴。
雖然大型強子對撞機在最終關閉之前還將運行幾十年，但30多年來，物理學家一直在進行線性對撞機的研發工作，而這種對撞機有朝一日可能成為大型強子對撞機的接班人。國際直線對撞機(ILC)是一項領先的設計成果，它將利用超導腔加速電子和正電子。由於電子和正電子是基本粒子，它們的碰撞比大型強子對撞機上的質子-質子碰撞乾淨，因此是研究粒子細節的理想對象。
日本是唯一一個對主辦國際勞工大會表現出興趣的國家，但日本政府在決定是否主辦國際勞工大會方面行動遲緩。這迫使物理學家最近將ILC的設計從500 GeV降至250 GeV，日本政府預計將在3月份做出主辦ILC的最終決定。
然而，粒子物理學家仍然看到了與大型圓形對撞機保持一致的優勢，尤其是因為他們在建造它們方面有豐富的經驗。例如，從1989年到2000年，歐洲核子研究中心(CERN)運行大型電子正電子對撞機(LEP)，它就在LHC現在所在的同一條隧道中，對Z和W玻色子進行了精確的測量。鑑於希格斯粒子的質量相對較低，圓形對撞機將能夠產生更高的亮度，而不會因為同步輻射而遭受巨大損失，這將影響一臺運行在500 GeV更高能量下的對撞機。
2013年，歐洲粒子物理共同體(European particle-physics community)發起了FCC項目，並於次年在日內瓦召開會議，開始撰寫這份報告。新的四卷概念設計報告著眼於建造100公里環形對撞機的可行性，並研究了這種潛在機器可能實現的物理原理。它首先要求建造一條100公里長的地下隧道，容納一個電子正電子對撞機(fc -ee)。這臺機器將由80公里長的彎曲磁體和四極磁體組成，磁體可以加速光束，四極磁體可以使光束聚焦，然後在環上的兩個點碰撞。
FCC的概念設計報告是一個了不起的成就。它顯示了FCC在提高我們的基礎物理知識和推進對社會產生廣泛影響的許多技術方面的巨大潛力
預計FCC-ee將在15年期間以4種能源運行，耗資約90億美元，其中50億美元將用於修建隧道。對撞機將從91 GeV開始，在4年內產生約1013 Z玻色子，然後在160 GeV下運行，在2年內產生108 W+和W-粒子。雖然W和Z粒子已經被LEP對撞機測量過了，但據估計，FCC-ee機器將把這些測量提高一個數量級
屆時，FCC-ee將以240 GeV的速度運行3年，專注於創造100萬個希格斯粒子。這將使物理學家能夠研究希格斯玻色子的性質，其精確度將比LHC目前的水平高出一個數量級。最後，對撞機將被關閉一年，以準備在大約360gev的速度運行，在五年內產生一百萬對頂部和反頂部對。對這些粒子進行更精確的測量，可能會顯示出與標準模型預測的偏差，這種偏差可能指向新的物理學。
一旦fc -ee的物理程序完成，同樣的隧道就可以用來容納質子-質子對撞機(fc -hh)，就像LEP為LHC讓路一樣。“FCC可能是LEP和LHC的行動回應，”倫敦國王學院(Kings College London)的理論家約翰•埃利斯(John Ellis)表示。質子對撞機將提供發現新粒子的最佳機會。
fc -hh將使用大型強子對撞機及其前置噴射器加速器，為對撞機提供最高能量可達100 TeV的能量，是大型強子對撞機的四倍。然而產生這樣的碰撞能量
fc -hh將使用大型強子對撞機及其前置噴射器加速器，為對撞機提供最高能量可達100 TeV的能量，是大型強子對撞機的四倍。然而，要產生這樣的碰撞能量，就需要開發新的磁鐵，在更高的磁場下運行，以引導光束繞過對撞機。LHC目前使用的是由鈮鈦(NbTi)合金製成的8t超導磁體。超導磁體的使用是因為它們允許大電流流動，而不會由於電阻而耗散能量。然而，使用50根GeV光束的fc -hh需要16塊由鈮錫(Nb3Sn)超導體制成的磁鐵
目前，LHC正在經歷為期兩年的關閉，以將其亮度(粒子碰撞速率的衡量指標)提高10倍。它被稱為高亮度LHC (HL-LHC)，旨在通過使用11噸Nb3Sn超導偶極磁鐵來測試這種材料。之前需要進行更多的研發可以在16 t .給定需要研發和建設成本高的磁鐵,FCC-hh的估計成本將約為150億美元,而總成本約為130億美元的大型強子對撞機。
將這一努力作為一項全球合作來進行是真正重要的。這就有可能提供大量實物捐助
fc -hh的整體亮度約為15-20 ab-1，比HL-LHC產生的亮度高5-10倍，對應於正在產生的1010個希格斯玻色子。它還將被用於尋找質量比LHC更高的新粒子，以及發現或排除被稱為WIMPs的熱暗物質粒子的存在。與LHC一樣，fc -hh也可以用作重離子對撞機，以39 TeV的速度將鉛離子擊碎，以研究夸克膠子等離子體等效應。據估計，對撞機將至少運行25年，以“提供一種研究工具，直到21世紀末”
FCC的概念設計報告是一個了不起的成就。它顯示了FCC在提高我們的基礎物理知識和推進對社會產生廣泛影響的許多技術方面的巨大潛力，”CERN總幹事Fabiola Gianotti說。“在提出新的、令人畏懼的挑戰的同時，FCC將從歐洲核子研究委員會的專業知識、加速器的複雜結構和基礎設施中獲益匪淺，這些技術已經發展了半個多世紀。”
考慮到建立FCC的巨大成本，它將需要來自社區的廣泛支持，因此歐洲核子研究中心的官員近年來一直在忙於建立一項合作，目前該合作由34個國家的135個機構組成。領導FCC項目的歐洲核子研究中心(CERN)物理學家邁克爾•貝內迪克特(Michael Benedikt)表示:“將這項努力作為一項全球合作來進行，真的很重要。”“這為製造這種機器部件的專家提供了大量實物捐助的可能性。
即使物理學家得到了建造FCC的資金支持，何時開始建造這臺機器也是個問題。一種選擇是通過高能升級(HE-LHC)，將LHC的能量加倍到30 TeV左右。然而貝內迪克特認為有可能繞過大型強子對撞機直接進入FCC。在這種情況下，HL-LHC項目將與FCC隧道建設並行運行，直到2037年左右停止。FCC-ee將在2040年左右開始運行
然而，歐洲核子研究中心並不是唯一一個正在開發新的圓形對撞機設計的機構。去年11月，中國物理學家公佈了其100公里隧道的概念設計，該隧道將首先容納一臺電子正電子對撞機，然後再容納一臺運行在100 TeV的質子質子對撞機。儘管中國對撞機的建造可能比FCC更早開始，但Benedikt表示，這兩種設計有許多相似之處。“這是一件好事，”貝內迪克特補充道。“中國的大量努力證實，這是一個有效的選擇，各方對這種機器有廣泛的興趣。”
這是一個非常簡單的問題，但事實證明，答案相當棘手:要對希格斯玻色子進行精確測量，圓形對撞機還是直線對撞機是最好的選擇
儘管歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(LHC)自2012年發現希格斯玻色子以來一直在產生大量希格斯玻色子，但質子-質子碰撞並不是研究粒子精確性質的最佳方法。這是因為質子不是基本粒子，所以它們的碰撞產生的碎片會影響測量的準確
然而，當電子與正電子發生碰撞時，情況就不同了，這就是為什麼粒子物理學家想要建造這樣一臺機器來研究希格斯玻色子，並試圖發現任何微小的偏差，這些偏差可能會提供超出標準模型的物理學線索。
多年來，物理學家一直在設計能夠在TeV尺度上工作的線性對撞機。其中一個領先的設計是國際線性科利爾(ILC)，日本對它表現出了託管的興趣，儘管它是一種運行在250 GeV下的更便宜的型號。
由於需要克服電子在環上加速時同步輻射造成的能量損失，線性碰撞器與圓形碰撞器相比，提供了更高的亮度(粒子碰撞速率的衡量標準)，碰撞能量超過400gev。然而，在低於這個閾值的能量下，圓形碰撞器比線性碰撞器具有更好的亮度——而且還可以在環形周圍放置多個探測器。
如果希格斯玻色子的質量約為500gev或更多，大多數人會同意，線性對撞機提供了最好的前進方式。但是希格斯粒子的質量是125gev，一個相當大的亮度曲線球已經進入了程序。這使得圓形對撞機重新回到了設計階段，在過去的五年裡，物理學家們一直在設計可能的替代方案。這導致了最近的兩項提議——未來的圓形對撞機(見正文)和中國的圓形電子正電子對撞機，後者的設計於去年11月發佈。
雖然圓形設計必須承擔建造一條巨大地下隧道的成本，但它們的通用性以及物理學家在建造它們方面擁有數十年的經驗，足以彌補這一不足。
ILC和100公里正負電子對撞機的技術已經成熟，但考慮到兩者令人垂涎的價格，所有設計都需要大量的國際合作。事實上，人們普遍認為，日本將只提供75億美元國際法委員會費用的一半。
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