? 大对撞机的未来,由谁定义?-深度-知识分子 "

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                大对撞机的未来,由谁定义?

                2019/05/16
                导读
                欧洲、日本还是中国?

                欧洲、日本、中国三方较量,谁会在新一代大对撞机的竞争中领跑?做出最终决定的过程可能会相当漫长。

                撰文 | 金斯基 李唐

                编辑 | 金庄维


                中国要不要建大对撞机 ?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。


                “我们至少需要20年来设计和建造一个新的对撞机?!盋ERN总干事法比奥拉·吉亚诺蒂(Fabiola Gianotti)如是说。


                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。


                欧洲:二十八年过去,弹指一挥间

                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(大部分时间对撞机内部可是热闹非凡)。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。


                一波三折的成长之路


                上个世纪八十年代,隶属于欧洲核子研究中心(CERN)的大型正负电子对撞机(LEP)建造完成。这台对撞机呈环形,周长达到了惊人的27千米——这是人类建造过的最为庞大的正负电子加速器。从1989年服役到2000年停止运行,LEP的对撞能量从初始时的约91GeV升至峰值209GeV。


                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(ICFA)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。在美国科学家的计划中,SSC位于周长87千米的隧道内,能以40TeV的质心能量将粒子撞个粉碎,威力远超过LHC。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。


                1994年12月,CERN委员会批准了LHC的建造,并于次年10月正式对外公布了LHC项目概念设计报告。


                在接下来的四年内,委员会先后通过了如今运行在LHC上的四个重要探测实验项目:紧凑渺子线圈(CMS),超环面仪器(ATLAS),大型离子对撞机实验(ALICE)和LHCb,还同意日本和美国成为观察成员国加入LHC项目。


                2008年9月10日,LHC迎来初次启动测试,测试一切顺利。然而,就在9天之后,用于冷却超导磁铁的液态氦发生了严重的泄漏事故。经过一年检修,LHC的运行才得以恢复。


                从2009年起,LHC开始了首轮运行。2010年,ATLAS实验检测到LHC的撞击质心能量首次达到7TeV,全世界的物理学家为之欢欣鼓舞,期待新物理迎来科研大丰收。


                终于,2012年7月4日,ATLAS和CMS实验组同时对外宣布,他们发现了“上帝粒子”——希格斯玻色子。寻找“上帝粒子”正是LHC项目的目标之一,如今,他们终于得偿所愿。


                (摄影:金斯基)


                未来环形对撞机


                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。


                时任CERN加速器和磁铁技术部主任的费德里克·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。LHC从概念提出到最终建成用了将近25年时间,所以现在已经是时候思考LHC接替者的问题了。从2015年起,我们就开始探究,今年提出的FCC正是后LHC时代对撞机的可能方案之一?!?/p>


                “相比大型强子对撞机27千米的环形周长,FCC的隧道周长将近100千米,第一阶段将会建造正负电子对撞机,之后便是质子-质子对撞机,当然也有可能直接建造质子-质子对撞机。这一切都需要通过《欧洲粒子物理战略更新》项目报告做进一步商讨?!辈悸薜吕锝樯芩?。


                目前,CERN的技术团队已经在为后LHC时代对撞机所需的各项技术展开研发,其中最为关键的一项就是加速器磁体材料。据CERN技术部门大型磁体设备研究人员阿诺德·德弗雷德(Arnaud Devred)介绍,他们现在找到了一种金属间化合物Nb3Sn。这种化合物虽然能够在20T以上的磁场中运作,但其机械性能并不理想。如何解决这一问题是一项颇有难度的挑战。


                除了技术条件之外,外界对于FCC项目的庞大预算也议论纷纷——不同设计方案的建造成本从90亿欧元到210亿欧元不等。对此,布罗德里认为,FCC项目是一项时间跨度长达20多年的全球合作项目,其间涉及许多工作,包括技术研发,建设工程等等。此外,回顾过往的大型项目(包括LHC在内),同样投入了巨额资金,结果不仅收获了大量研究成果,许多基础物理研究中的技术也被应用到现实社会中。从长远看来,巨大的投入有望给社会带来丰厚的回馈。


                CERN对于FCC项目充满信心。2015年开始,科学家们就着手调研,历时三年写下厚厚四大册的《FCC概念设计报告书》。拥有建造从LEP到LHC的丰富经验和各种研究成果,集合全球科学家的智慧力量展开进一步的技术研发,以及与各国政府和组织、大学和研究机构良好的合作关系,这些都是FCC项目的优势。当然布罗德里表示,做出最终决定的过程可能会相当漫长。


                日本:学界兴致勃勃,政府拖拖拉拉

                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。


                计划缘起


                环形加速器所采用的设计方案会产生较大的能量损失。带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时会产生电磁辐射,即同步辐射;其能量与束流能量的四次方成正比。这意味着在更加高能的区域中,环形加速器的效率会大幅下降,对撞机的造价也会变得难以承受。


                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。


                在欧洲建造LEP之时,美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)也建造了一台对撞机——斯坦福直线对撞机SLC(SLAC Linear Collider)。这是世界上第一台直线对撞机。在1989年至1998年的运行过程中,SLC产出了许多出色的成果,也验证了直线对撞的原理。这为国际直线对撞机(ILC)计划的提出铺平了道路。


                ILC的诞生


                当LEP和SLC还在全力运转时,物理学家已经在规划未来的高能直线对撞机,并提出了几个相互竞争的加速技术;后续的讨论也十分关注控制造价的问题。


                2004年,国际专家小组在评估后决定在ILC上采用德国DESY实验室开发的超导技术。这项技术曾在位于德国的欧洲X射线自由电子激光器(E-XFEL)上得到检验。E-XFEL利用768个超导铌腔将电子加速至17.5 GeV;在某种程度上,它被看作是ILC的原型。


                2005年,来自加州理工学院的巴里·巴里什(Barry Barish,2017年诺贝尔物理学奖得主)成为ILC计划的领导者。


                在第一个试验性设计中,ILC是一台长达二十千米的对撞机,运行能量为500GeV;未来,加速器的隧道还可延长18.6千米,从而使能量提升至1 TeV。


                2007年,科学家们提出了一个新的参考方案。他们希望利用两个12千米长的直线加速器分别加速正、负电子。这一设计的造价约为67亿美元。


                林恩·埃文斯(Lyn Evans)于2013年开始担任ILC计划的主管,负责监督ILC的设计工作;他之前曾组织LHC的建造。同年7月,五卷本的ILC设计报告公布,ILC将拥有一条31公里长的超导腔轨道,并能将电子加速到 500 GeV。


                日本粒子物理学会早在2011年就盯上了ILC项目,宣布将竞标ILC的主建权,候选地点为九州(Kyushu)和岩手(Iwate)。很快,日本物理学会对该计划表示支持,期望能够主持ILC的建造;他们提供的潜在选址位于东京以北400公里的Tōhoku地区。最终ILC委员会将选址确定在了岩手县境内的一个地方。


                日本高能加速器研究组织(KEK)在2016年发布了一份12页的计划——科学家和工程师们已经就位,日本科学家甚至请来了Hello Kitty为ILC站台,只待日本政府开启与其他国家共同筹建ILC的协商。


                (图源:newsline.linearcollider.org)


                陷入僵局


                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。


                虽然希格斯玻色子是在大型强子对撞机(LHC)上发现的,但LHC的质子-质子碰撞会产生大量的“碎片”,影响测量精度;而电子和正电子是基本粒子,它们的碰撞更加“干净”,这意味着ILC可以将精度提升至更高的水平。


                负责监督ILC工作的未来加速器国际委员会(International Committee for Future accelerators)对该计划给予了认可。显然,这一收缩性方案的初衷是为了提高ILC的可接受度,但预计耗资依然高达75亿美元。


                但在去年,这一计划遭到了打击。日本科学委员会(SCJ)的一个独立委员会指出,ILC还没有得到足够的国际支持,其在科学研究之外的重要性是“不清楚的”“受限的”。从这些角度出发,SCJ并不支持在日本建造ILC。


                鉴于欧洲的粒子物理学家们正在考虑建设新一代大型强子对撞机,并将于2020年发布相关报告,ILC委员会给日本政府的最后决定期限是2019年3月。今 年3月7日,政府如约做出了回复。遗憾的是,日方并未承诺主持ILC的建设工作。


                日本政府在公开的文件中表示,他们同意日本粒子物理学会的意见,即ILC项目是值得继续探讨的;但是,要让项目取得实质性的进展,国际谈判的成功和各国的技术,(尤其是)资金支持是必要的。日方可提供总费用75亿美元的一半,剩下的部分由美国、欧洲和加拿大等伙伴国家承担。


                政府提出的另一个条件是ILC需要得到日本科学界更为广泛的支持。这意味着只有走完必要的程序,ILC才能被纳入日本文部科学?。∕inistry of Education, Culture, Sports, science and Technology,MEXT)制定的下一代大型科学项目路线图。2017年的路线图便包含了超级神冈中微子探测器和大型强子对撞机的亮度升级。


                政府还表示,ILC必须包括在SCJ大型项目的总体规划之中,而该规划要到今年10月才能成形。


                听完政府的声明后,未来加速器国际委员会主席杰弗里·泰勒(Geoffrey Taylor)在东京大学的一场新闻发布会上说:“我们感到失望?!钡故嵌匀毡菊某中刈⒏枇丝隙?,“我们将等待政府对成为ILC东道主的承诺”。


                但ILC全球设计工程的欧洲区主任,来自牛津大学的布莱恩·弗斯特(Brian Foster)表示:“很难相信日本政府对此是认真的,这种拖延似乎是日本人说‘不’的典型方式?!?他补充说,政府现在已经将决策流程提交给了SCJ,而SCJ对ILC明显缺乏热情。在发布会上有人指出,关于成本分担的谈判将由KEK粒子物理实验室的官员组织。但弗斯特警告称,这是“浪费时间”?!疤概行枰诟叩牟忝嫔辖小?,他补充道。


                走向何方?


                虽然CERN的FCC项目和中国的环形正负电子对撞机(CEPC)均属于环形对撞机,但ILC并非没有竞争对手。事实上,未来加速器国际委员会(ICFA)的手里还有另一个竞争项目——the Compact Linear Collider(CLIC)。这一项目正是由CERN主导的。与ILC相比,CLIC将提供更高的碰撞能量,最高可达3 TeV左右。


                从目前看来,日本政府的立场并不会对CLIC造成过大的影响;关注直线对撞机的物理学家们并不会因探讨ILC而放弃CLIC。


                CLIC发言人、牛津大学粒子物理学家菲利普·伯罗斯(Philip Burrows)认为,对日本而言,ILC是一个“真正的机会之窗”,“但这扇窗户并不会敞开太久——人类必须前进,其他项目也在推进?!?/p>


                “失望的”粒子物理学家约翰·埃利斯(John Ellis)则表示,就目前而言,欧洲的粒子物理战略规划需在假定ILC下马的情况下进行;台面上的其它计划,像CLIC、FCC以及中国的环形正负电子对撞机(CEPC),都能“做类似的物理并为科学界开辟道路”。 


                中国:过去一年进展如何?

                自2012年希格斯玻色子被发现之后,中国高能物理学界便开始考虑建造自己的大型对撞机。中国科学家于2012年9月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。


                但在国内说起这一计划,听说过的人第一时间想到的,大概是社交媒体上的轮番辩论。虽然一路反对的声音不断,但CEPC团队并未停下前进的步伐。


                2018年6月28日至30日,高能环形正负电子对撞机(CEPC)加速器概念设计报告国际评审会在中科院高能物理研究所举行。CEPC团队参考评审意见,修改并完成概念设计报告。


                2018年11月14日,环形正负电子对撞机(Circular Electron Positron Collider, CEPC)研究工作组正式发布CEPC 的两卷《概念设计报告(Conceptual Design Report, CDR)》,分别是《概念设计报告——加速器卷》和《概念设计报告——探测器和物理卷》。设计报告详细地评估了 CEPC 相对于LHC 在科学上的优势,其内容包含了上千位科学家在过去六年中的研究成果。


                “我为 CEPC《概念设计报告》中的重要成就送上真诚的祝贺。这是CEPC 这样一个用于基础研究的大型科学装置的重要发展里程碑”,杰弗里·泰勒表示,“毫无疑问,国际高能物理界非常希望参加 CEPC 的研发和将来的科学实验,这将会大大促进对物质最基本组成单元的进一步理解?!?/p>


                (图源:cepc.ihep.ac.cn)


                显而易见的是,欧洲、日本、中国都已盯上了大对撞机这一领域,也都为此进行着旷日持久的努力。无论是CERN的FCC项目、CLIC项目,日本ILC项目,还是中国的CEPE项目,物理学家希望通过对希格斯等粒子的精确研究打开“新物理学”的大门,这是我们超越标准模型的一个契机。


                尽管这四个项目存在竞争的关系,但科学家们相信,无论最终哪个(或哪两个)实现,都将会是全球合作项目。毕竟,没有哪一方能够独自承担起新一代大型对撞机的“开销”。


                大对撞机的未来将由谁来定义?答案恐怕不是欧洲,不是日本,也不是中国,而是全球科学家。


                参考资料

                [1] https://www.sohu.com/a/312547712_100058214?sec=wd

                [2] https://en.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider

                [3] https://home.cern/science/accelerators/large-hadron-collider

                [4] http://cds.cern.ch/record/1997351

                [5] https://www.nature.com/articles/d41586-019-00824-4

                [6] https://physicsworld.com/a/disappointment-as-japan-fails-to-commit-to-hosting-the-international-linear-collider/

                [7] http://www.ihep.cas.cn



                文章头图及封图片:摄影 金斯基

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