谁在新一代大对撞机的竞争中领跑,谁就能抢占高能物理发展的先机。面对如此诱惑,欧洲、日本、中国分别拿出了自己的方案,也分别面对着各自的难题:技术挑战,巨额预算,政府暧昧不明的态度……建造大对撞机,从来不是件容易的事情。
就在我们又一次热烈讨论这一问题时,欧洲传来消息:欧洲粒子物理界本周正在西班牙格拉纳达召开会议,其中一项重要议题就是新一代大对撞机。大型强子对撞机(LHC)宣布发现“上帝粒子”三年后,欧洲核子研究中心(CERN)就已开始思考这位“功臣”的升级版本。CERN总干事法比奥拉·吉亚诺蒂在5月13日发布的官方新闻稿中表示,我们至少需要20年来设计和建造一个新的对撞机。
20年,听起来似乎很遥远,但回顾LHC的诞生历程就会发现,这一说法毫不夸张。在平静的瑞士法国边境地下50至175米深处,有一条周长26.7千米的环形隧道,静卧其中的正是举世闻名的LHC。2012年7月4日,CERN宣布探测到标准模型中的“上帝粒子”——希格斯玻色子。这一刻,距离最初提出建造大对撞机的设想,已经28年了。
为了得到更高的对撞能量,建造强子对撞机(质子-质子对撞)的计划被提上议事日程。1984年3月,CERN与欧洲未来加速器委员会在瑞士洛桑举行工作会议,LHC的概念就在这次会议上首次获得官方认可。3年之后,LHC项目迎来了强劲的对手。1987年1月30日,美国政府高调通过了超导超大型加速器(SSC)项目。尽管该项目对LHC造成了很大威胁,CERN仍然努力地保住了LHC项目。
极具潜力的SSC项目进展并不顺利。随着建造的推进,预算从最初的44亿美元飙升至110亿美元。此外,SSC还面临项目主导权以及管理结构等问题。最终,SSC项目在1993年10月被官方叫停。至此,LHC成为新一代高能粒子对撞机的唯一候选者。而此时,CERN的科学家们正不知疲倦地修改方案,以求简化设计、降低成本。
2019年初,就在LHC结束第二轮运行任务后不久,CERN公布了建造新一代对撞机的构想,未来环形对撞机(FCC)项目横空出世。这对CERN来说,恰恰是一场筹谋已久的升级计划。CERN加速器和磁铁技术部主任费德里克·布罗德里表示,LHC接下来还会进行两轮升级,最终将于2040年停止工作。
除了中国和欧洲,日本也在推动自己的对撞机项目——国际直线对撞机(ILC)计划。这类对撞机呈直线形,与环形对撞机(如LHC)相比有着独特的优势。为了向更高的能级挺近,物理学家们将眼光投向了直线加速器。直线加速器不能使能量一圈一圈地叠加,因此往往拥有较大的长度;但相比于环形加速器,它在建造成本上要“平易近人”得多。
然而,政府在是否支持ILC的问题上一直拖拖拉拉。2017年,物理学家提出了一个替代性的计划。他们打算将ILC的能量降至250 GeV——旨在研究125 GeV的希格斯玻色子;同时,隧道的长度也被缩减为20公里。在后续的发展中,也可选择将能量升级到约1 TeV。
就在2012年9月,希格斯玻色子被发现的消息宣布之后不久,中国科学家便提出建造下一代环形正负电子对撞机(CEPC)并适时改造为高能质子对撞机(SppC)的方案。中国目前拥有的对撞机和加速器中,最著名的莫过于北京正负电子对撞机(BEPC)。虽然一路反对的声音不断,但CEPC团队并未停下前进的步伐。