210亿欧元!欧洲计划建100公里长超级对撞机,中国要跟吗?

作者: 吴婷婷

来源: 学术头条

发布日期: 2020-07-05

欧洲核子研究组织(CERN)计划建造一个100公里长的环形超级对撞机,预计耗资至少210亿欧元,以推动高能物理学的前沿发展。该项目分为两个阶段,首先建造电子-正电子对撞机,然后在本世纪下半叶重建质子-质子粉碎机。中国科学院高能物理研究所负责人王贻芳对此持肯定态度,而著名物理学家杨振宁则持反对意见。

在当今物理学界,量子力学可以说处于举足轻重的地位。作为一门研究微观世界的学科,量子力学主要研究粒子的各种特性,比如自旋,动量等运动信息的领域。而科研不仅仅需要捕获自然粒子,更重要地是制造出可控的粒子形式,利用大量的实验来检验某些理论。

20世纪40年代,物理学家开始建造粒子对撞机。在粒子碰撞的实验中,我们可以寻找理论预测的新粒子,比如希格斯玻色子,还可以研究粒子之间的变化规律。可以说人类研究微观世界最得力的工具就是对撞机。而为了在量子力学研究中取得更高突破、发现更多粒子,各国研究组织都在不断建造更大的对撞机来获取答案。

据Nature和Science 6月19日报道,位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究组织(CERN)计划建造一个100公里长的环形超级对撞机,可以达到1 T电子伏特(tera-electron-volts)的碰撞能量,大约是目前运行的大型强子对撞机(LHC)的6倍,以推动高能物理学的前沿发展。值得一提的是,该项目预计耗资至少210亿欧元(约240亿美元)。

2012年,质子破坏大型强子对撞机爆炸出希格斯玻色子,这是物理学家标准模型预测的最后一个粒子,也是解释所有其他基本粒子如何获得质量的关键。到此为止,对撞机找到了所有的基本粒子。实际上,CERN作为世界上最大的粒子物理学研究机构,已经运行着一台全球最大的粒子对撞机——27公里长的大型强子对撞机,但显然,CERN并不满足于现状。

为了能够更详细地测量希格斯玻色子的性质,以及一些先前发现的粒子的性质,6月19日,CERN理事会批准了未来环形对撞机(FCC)的建造计划。

根据同日发布的文件《欧洲粒子物理战略 2020 更新》,CERN将该建造计划大概分为两个阶段:首先,为环形隧道选取适合的地点(暂定于CERN所在地附近的地下隧道),建造一个和LHC质子碰撞能量级别类似的电子-正电子对撞机,其目的是对碰撞能量进行调整,以最大程度地产生希格斯玻色子,并使物理学家能够详细了解其性质。

而后,到了本世纪下半叶,电子-正电子对撞机将被拆除,重新建造一台功率更大的质子-质子粉碎机。它的目标是寻找新的粒子或自然力,并扩展或替换当前的粒子物理学标准模型。然而,由于巨大的物理尺寸——长长的隧道,填充它的大量磁铁,以及所有需要完成这项工作的人,这一超级对撞机建造计划所需的资金注定攀升。文件指出,超级对撞机的建造预算约为210亿欧元,约240亿美元。

此外,考虑到项目的预算估计通常不包括操作费用,因此具体数目可能更大。按照LHC的目前的运行成本计算,新的对撞机每年成本可能至少为10亿美元。也就是说,一旦FCC成功建造起来,除了巨额的建造费用,其20年的运行成本可能还需花费200多亿美元。

因此,在CERN开始建造新机器之前,它将不得不寻求从成员国收到的正常预算之外的新资金。物理学家莱韦林·史密斯(Llewellyn Smith)说,欧洲以外的国家,包括美国、中国和日本,可能需要加入CERN,以组建一个新的全球性组织。这么贵,值得吗?实际上,中国的物理学家也有类似的计划,他们认为建造大型环形对撞机是高能物理学研究的重大突破点。

因此,谈及CERN的FCC建造计划,中国科学院高能物理研究所(IHEP)负责人王贻芳持绝对肯定的态度。他说:“我认为这当然是正确的方向。欧洲核子研究组织的决定恰恰证实了我们的选择是正确的。”在2012年大型强子对撞机发现希格斯玻色子后,王贻芳曾率先提出要研制一种中国电子-正电子对撞机的提议。

该提议也包括了与CERN建造计划类似的阶段:按照大型强子对撞机的模式,建造大型电子正电子对撞机,并在第二阶段容纳质子对撞机。然而,著名物理学家杨振宁则持反对意见。他认为,如果中国此时投入300亿建设粒子对撞机,是不划算的规划。因为在上个世纪后半叶,西方已经用对撞机把高能物理探索完了,他用“盛宴已过”表达了高能物理的基础研究进度。

而对于CERN此次的超级对撞机项目,德国法兰克福高等研究院的理论物理学家萨宾·霍森费尔德(Sabine Hossenfelder)则持批评态度。他认为,FCC的建造,除了能够测量已知粒子的性质之外,其科学回报还无法保证。霍森费尔德说:“我仍然认为这不是一个好主意。我们正在谈论数百亿美元。我只是认为现在进行此类研究的科学潜力不足。

”CERN理事会主席Ursula Bassler在闭幕会议上则表示,“大多数任务是遥遥无期的,现在摆在我们面前的,就是如何把这一战略变为现实。”

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