FCC 中的粒子對撞（藝術概念圖）| 圖片來源：CERN

1 月 15 日，歐洲核子研究中心（CERN）的物理學家們發佈了新一代對撞機的概念設計報告。它被命名為未來環形對撞機（Future Circular Collider，FCC），軌道長度達到 100 千米，相當於北京五環的周長。FCC 的能量將提升至全新水平，一旦建成，它將帶領我們進入一個全新的物理領域。

在建造方案上，FCC 大致分為兩個階段：先建一臺輕子對撞機，然後在此基礎上改造成強子對撞機。在預算方面，前期建設需要 90 億歐元，後期的升級還需要約 150 億歐元，總計高達 240 億歐元。

輕子對撞機：接過 LHC 的班

FCC 藝術概念圖 | 圖片來源：CERN

輕子對撞機預計耗資 90 億歐元，其中 50 億歐元用於修建這條長 100 公里的隧道及其附帶的基礎設施。如果一切順利，它將於 2040 年左右開始運行，正好接過大型強子對撞機（LHC）的班。

輕子對撞機可完成正負電子對撞實驗，能量超過歷史上所有同類實驗。正負電子對撞實驗將讓物理學家得以深入研究希格斯玻色子的衰變。LHC 主要使用質子進行對撞，但由於質子由夸克和膠子構成，對撞會產生許多“雜質”；相比之下，FCC 的正負電子對撞也能產生希格斯玻色子，而且產生的數據更加純淨，因為電子和正電子屬於基本粒子，不能被分割為其他的粒子。

希格斯玻色子的發現填補了粒子物理標準模型（Standard Model）的最後一塊拼圖，但物理學家還希望實現新的突破。標準模型無法解釋為什麼引力如此微弱、為什麼中微子具有質量，也無法解釋暗物質和反物質相關的問題。如果 FCC 能對希格斯玻色子進行深入研究，甚至發現標準模型之外的新粒子，這些問題無疑將得到更好的解答。

未來升級改造方案

在此基礎上建立的強子對撞機可對質子和重離子進行加速對撞，能量將達到 100 萬億電子伏特（TeV），為 LHC 的的 7 倍，亮度達到 LHC 的 30 倍。實驗將產生數十億計的希格斯玻色子和頂夸克，為研究罕見衰變事件和味物理學（flavor physics）提供新的機會。通過這類實驗，物理學家還能在更高的能量級別研究希格斯玻色子和規範玻色子的相互作用，深入探索電弱對稱性破缺的機制。此外，FCC 還可能進行強子和輕子的對撞實驗，探索夸克和膠子的相互作用。

這次升級大約需要 150 億歐元，主要用於配置超導磁體和冷卻系統，預計在 2050 年代後期接入原先輕子對撞機的軌道。CERN 曾經實施過這樣的施工方案，LHC 的隧道原本就屬於它的“前任”大型正負電子對撞機（Large Electron-Positron collider，LEP）。LEP 於 1989-2001 年間運行，對 W 及 Z 玻色子進行了深入的研究。

花這麼多錢值不值

不是所有人都看好這項計劃。德國法蘭克福高等研究院（ Frankfurt Institute for Advanced Studies）的理論物理學家 Sabine Hossenfelder 告訴《自然》（Nature）：“沒有理由認為在這樣一個對撞機的能量區間裡會有新的物理學。這是一個噩夢，每個人都心裡有數，但是都不想談。”她認為應該把資金投入其他的大型研究設備，例如在月球背面安裝射電望遠鏡，或者發射圍繞地球運行的引力波探測器，它們帶來的科學上的回報會比對撞機更加可靠。

CERN 的物理學家、FCC 研究項目領導者 Michael Benedikt 認為，即使不考慮其對科學的直接貢獻，超級對撞機也值得建造。“這類大型工程和項目能夠大大促進網絡協作，讓來自不同國家和地區的研究機構建立聯繫。這一切構成了推進這類獨特科研項目的一個非常好的理由。”今天我們熟悉的互聯網就誕生於 CERN。但 Hossenfelder 指出，同樣的論證也適用於其他大型科學項目。

《科學》（Science）特約撰稿人 Adrian Cho 指出，當 LHC 於 2010 年開始收集數據的時候，物理學家們期望它還能找到除希格斯玻色子以外的新粒子，以打破幾十年來標準模型一成不變的局勢，但是這一期望並未實現；

在20世紀90年代，美國德克薩斯州的超導超級對撞機（Superconducting Super Collider，SSC）就因為成本問題被中途放棄，當時隧道已經進入施工階段。而 FCC 強子對撞機的軌道長度比 SSC 還要多出 15%，能量將達到 SSC 的 2 倍。

中國和日本也在計劃建造自己的大型對撞機，以對希格斯玻色子進行深入研究。中國科學院高能物理研究所於 2018 年 11 月 28 日召開了“高能環形正負電子對撞機關鍵技術研發和驗證 ”項目啟動會；而日本物理學家希望建造一臺長 20km 的直線加速器，日本政府將在今年 3 月作出決策。

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