編譯 姚人杰

要么現(xiàn)在爭(zhēng)取，要么就夭折：高能物理學(xué)界正加快計(jì)劃未來的研究設(shè)施。

復(fù)興的國際直線對(duì)撞機(jī)（ILC）將會(huì)成為下一個(gè)大型粒子物理學(xué)設(shè)施的角逐者。在將近20年的研究工作中，這個(gè)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)逐漸成形，而這多虧了科學(xué)、政治和財(cái)政發(fā)展的合力。支持者已經(jīng)構(gòu)思出ILC的階段性建造方案。目前的想法是：它一開始會(huì)是一臺(tái)250 GeV（而不是500 GeV）“希格斯粒子工廠”。因?yàn)檩^低的能量可以用較短的加速器來實(shí)現(xiàn)，估計(jì)這樣造價(jià)就降低了40%之多，大約為50億美元（不包括人工）。

2017年夏天，造價(jià)下調(diào)后的ILC獲得了日本高能物理學(xué)家聯(lián)合會(huì)的批準(zhǔn)。緊接著在11月，獲得了國際未來加速器委員會(huì)（ICFA）的同意，該委員會(huì)包括了全球主要粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室的主管?，F(xiàn)在日本是唯一有可能主導(dǎo)ILC建設(shè)的國家，只要它發(fā)出希望推進(jìn)ILC建設(shè)的清晰信號(hào)，就會(huì)讓項(xiàng)目重新運(yùn)轉(zhuǎn)起來。但這個(gè)信號(hào)必須在2018年發(fā)出，否則歐洲的粒子物理學(xué)家會(huì)計(jì)劃沒有ILC的未來。

希格斯粒子工廠

2012年，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。到2016年時(shí)，LHC沒能發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型以外的新粒子?！拔覀円葱枰鄶?shù)據(jù)，要么新的物理知識(shí)隱藏在希格斯玻色子背后。”位于洛桑的瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院粒子物理學(xué)家、ICFA直線對(duì)撞機(jī)委員會(huì)主席田中達(dá)（Tatsuya Nakada）說道，“這一認(rèn)識(shí)重新強(qiáng)調(diào)了對(duì)希格斯玻色子屬性的精密物理的重要性，證明了建造較低能量的直線對(duì)撞機(jī)作為第一步從科學(xué)上來講是合理的?！?/p>

國際直線對(duì)撞機(jī)的隧道在圖中以地溝形式表現(xiàn)。將會(huì)在日本東北地方的一片花崗巖地層中挖掘出這條隧道

考慮到希格斯玻色子質(zhì)量為125 GeV，一臺(tái)能產(chǎn)生250 GeV能量對(duì)撞的電子對(duì)撞機(jī)會(huì)產(chǎn)生足夠多的希格斯玻色子。而且對(duì)撞的粒子是基本粒子，可以對(duì)希格斯玻色子進(jìn)行詳盡的研究，而這在LHC更混亂的質(zhì)子對(duì)撞中是不可能辦到的。首要的研究任務(wù)會(huì)是測(cè)量希格斯玻色子與向量玻色子、夸克、輕子的耦合。測(cè)量值與理論預(yù)測(cè)值間的差異能揭示出標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理知識(shí)。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室主任奈杰爾·洛克耶（Nigel Lockyer）說，希格斯玻色子是種獨(dú)特的粒子，“它是我們迄今觀測(cè)到的唯一一種自旋為零的基本粒子。對(duì)希格斯玻色子的性質(zhì)進(jìn)行精密測(cè)量，就能出現(xiàn)它與一種新粒子混合的情形，這些偏差可能與暗物質(zhì)、宇宙暴脹或額外維度有關(guān)。如果你不去研究希格斯粒子，你會(huì)發(fā)瘋的?！?/p>

建造250 GeV能量的ILC的支持者們不想在此止步。為了產(chǎn)生172GeV的頂夸克，需要350GeV能量的對(duì)撞機(jī)。為了研究希格斯玻色子與自身的耦合，需要有500 GeV能量的對(duì)撞機(jī)。那種自耦合“對(duì)于弄清真空的結(jié)構(gòu)以及其他東西是非常有意思的”，約阿希姆·默尼奇（Joachim Mnich）說道，他是位于漢堡的德國電子加速器的粒子物理學(xué)及天體粒子物理學(xué)主管。

現(xiàn)成可用的技術(shù)

LHC的后繼設(shè)備還有其他選擇。在歐洲核子研究中心（CERN）正在研發(fā)的緊湊型直線對(duì)撞機(jī)（CLIC），相撞的電子束和正電子束各自由一道平行的驅(qū)動(dòng)束（drive beam）供能。通常認(rèn)為它適合于TeV能量等級(jí)。和直線對(duì)撞機(jī)路線競(jìng)爭(zhēng)的，是用長(zhǎng)達(dá)100公里的環(huán)（差不多是LHC圓周長(zhǎng)度的四倍）來獲得更高的能量。兩個(gè)類似的項(xiàng)目正在研究中：CERN的未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）和中國的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）。在兩個(gè)項(xiàng)目中，都是以電子對(duì)撞的希格斯粒子工廠作為起點(diǎn)。FCC會(huì)建造到350GeV能量等級(jí)；CEPC會(huì)建設(shè)到240GeV能量等級(jí)。最終，兩臺(tái)對(duì)撞機(jī)都會(huì)改造成原始隧道的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。

另一項(xiàng)提議中的未來實(shí)驗(yàn)是對(duì)LHC增加設(shè)備，讓質(zhì)子與電子能夠?qū)ψ玻Q為L(zhǎng)HeC，通常并不被視為ILC的競(jìng)爭(zhēng)者，但是能以低得多的價(jià)格進(jìn)行補(bǔ)充性的物理實(shí)驗(yàn)。

但I(xiàn)LC使用的技術(shù)是最先進(jìn)的。與ILC提議使用的諧振腔類似的超導(dǎo)射頻諧振腔早已在美國和德國的實(shí)驗(yàn)室中實(shí)際使用?！癐LC的概念依賴于已經(jīng)證明的技術(shù)，”默尼奇說，“它已經(jīng)在大型設(shè)施中經(jīng)受檢驗(yàn)，行業(yè)也知道如何制造它?！?/p>

500 GeV能量的ILC的技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)告已經(jīng)在2013年完成。將能量削減至250 GeV后，節(jié)省的花費(fèi)主要來自于使用更少超導(dǎo)射頻諧振腔。加速器組合的長(zhǎng)度會(huì)從30公里縮短到20公里。減少隧道的橫截面面積也能節(jié)省費(fèi)用。

一旦隧道就位，提升對(duì)撞機(jī)的方法是：要么延長(zhǎng)隧道、要么開發(fā)出更好的技術(shù)，加州大學(xué)伯克利分校的村山齊（Hitoshi Murayama）說道，他同時(shí)也在東京大學(xué)科維理宇宙物理學(xué)與數(shù)學(xué)研究所任職，“現(xiàn)在談?wù)撋?jí)的方式還不成熟。”

一些更好的技術(shù)早已經(jīng)在研究中。在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，科研人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈮超導(dǎo)射頻諧振腔的最外層表面注入氮時(shí)，加速梯度會(huì)增加?！拔覀冞€不知道原因，”費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室技術(shù)部門的副主管安娜·格拉塞利諾（Anna Grassellino）說，“但是當(dāng)摻雜物滲入若干納米時(shí)，我們得到了最高的加速度?！彼f，通過增加加速梯度，“對(duì)于相同的資金來說，你能升級(jí)到更高的能量等級(jí)，這也就意味著能做更多種的物理實(shí)驗(yàn)，或者你可以讓加速器變得更短，這也能節(jié)約資金?！边@一方法早已經(jīng)在SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的直線加速器相干光源，以較深摻雜的形式得到實(shí)施。在ILC的新設(shè)計(jì)方案中，射頻領(lǐng)域的新發(fā)展在總計(jì)40%的開支削減中貢獻(xiàn)了大約6%。

反對(duì)ILC的主張之中，有一種觀點(diǎn)是認(rèn)為250 GeV的能量太低。要獲取頂夸克、擴(kuò)展科研范圍的話，下一臺(tái)對(duì)撞機(jī)應(yīng)該至少有350 GeV的能量。但更低的能量是個(gè)良好的開始，SLAC的物理學(xué)家邁克爾·佩斯金（Michael Peskin）說，“高能物理儀器耗費(fèi)數(shù)十億美元的資金，所以你必須要有耐心。”

一些粒子物理學(xué)家更偏愛環(huán)形對(duì)撞機(jī)，它能更容易達(dá)到高光度。他們說，直線對(duì)撞機(jī)缺乏清晰的理由來支持更高的能量，所以它不再有意義。根據(jù)一位要求匿名的粒子物理學(xué)家所述，一些科學(xué)家也擔(dān)心ILC受到政治層面的推動(dòng)，以至于“沒有回旋余地”，于是科學(xué)界感覺自己別無選擇，只能支持ILC。

其他科學(xué)家想知道，日本是否有建造ILC的人力資源？其他國家的科研人員將來是否愿意花費(fèi)十年時(shí)間在日本開展相關(guān)工作？“毫無疑問，缺乏讓外國人在日本生活的基礎(chǔ)設(shè)施?！贝迳烬R說。譬如說，他注意到：在提議的ILC選址附近沒有K-12國際學(xué)校?！暗绻?xiàng)目繼續(xù)進(jìn)行，基礎(chǔ)設(shè)施會(huì)建設(shè)起來。”村山說。而且高能物理項(xiàng)目耗資龐大、數(shù)量稀少，任何一個(gè)全球性科研設(shè)施要得以實(shí)現(xiàn)的話，都要吸引全球的物理學(xué)家和加速器專業(yè)的科學(xué)家過來?！敖ㄔ扉_始的話，科研人員就會(huì)過來。”洛克耶說。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的安娜·格拉塞利諾（Anna Grassellino，右）和王梅玲（Mayling Wong-Squires）研究氮摻雜和注入如何提升超導(dǎo)射頻諧振腔（譬如國際直線對(duì)撞機(jī)會(huì)使用的諧振腔）的性能。她們正在準(zhǔn)備將一個(gè)諧振腔放進(jìn)身后的高溫爐里烘烤

“不斷推動(dòng)”

日本正在表現(xiàn)出恢復(fù)ILC相關(guān)活動(dòng)的眾多跡象。數(shù)個(gè)工作組正在為文部科學(xué)省調(diào)研規(guī)?？s小后的ILC。多個(gè)領(lǐng)域的學(xué)者正在衡量ILC與其他可能的科研投資的花費(fèi)、設(shè)計(jì)與科研價(jià)值。“分階段的方式應(yīng)該會(huì)減少日本政府對(duì)對(duì)撞機(jī)造價(jià)的震驚。”村山齊說，他擔(dān)任了日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)（KEK）的ILC議題咨詢委員會(huì)成員。他注意到，日本國會(huì)大約有1/4議員支持推進(jìn)ILC項(xiàng)目。

2013年，日本東北地方的北上山地中的一個(gè)地點(diǎn)被選為ILC的建造地，但是在日本政府正式支持項(xiàng)目之前，這仍然不是正式選址。因?yàn)檫@個(gè)地點(diǎn)處于單片花崗巖地層內(nèi)，就算遇上地震，它也應(yīng)該是安全的。當(dāng)?shù)乜h市政府支持項(xiàng)目，希望它會(huì)提供經(jīng)濟(jì)推動(dòng)力，幫助振興地方，這片區(qū)域在2011年因?yàn)榈卣?、海嘯和核電站事故而遭受破壞。

2018年早些時(shí)候，一支日本代表團(tuán)與法國和德國的高級(jí)官員會(huì)面，討論ILC項(xiàng)目，日本官員也已經(jīng)和美國能源部、美國國會(huì)議員討論過項(xiàng)目。日本還打算與法國、德國、美國及其他國家進(jìn)行進(jìn)一步磋商?！拔覀儽仨氁砸粋€(gè)非正式框架開始工作?！睎|京大學(xué)的粒子物理學(xué)家山下了（Satoru Yamashita）說道，他參與了近期在歐洲的會(huì)談。這個(gè)人數(shù)多達(dá)20人的代表團(tuán)成員包括來自日本科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界和政府的代表。

山下了說，提高ILC的希望的關(guān)鍵是ICFA明確聲明日本不僅應(yīng)該主持項(xiàng)目，還應(yīng)該領(lǐng)導(dǎo)整個(gè)項(xiàng)目。他解釋說，此前構(gòu)想的ILC的組織模式更像正在法國建造的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）。在ITER項(xiàng)目中，合作的各方從一開始就一起討論各種細(xì)節(jié)。相比之下，由一個(gè)國家領(lǐng)導(dǎo)的組織更簡(jiǎn)單，也許能更加容易避免拖延和預(yù)算超支等難題，而正是這兩種難題讓ITER成為負(fù)面教材?！瓣P(guān)鍵的是要在所有層面不斷推動(dòng)?！鄙较铝苏f。

2016年日本研討會(huì)的參與者討論國際直線對(duì)撞機(jī)

機(jī)會(huì)窗口

時(shí)間壓力來自于“歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略”，這是學(xué)界為了優(yōu)先考慮未來項(xiàng)目的一次努力。整個(gè)程序目前進(jìn)行到信息收集階段，該戰(zhàn)略預(yù)計(jì)在2020年初完成。

特拉維夫大學(xué)的哈利娜·阿布拉莫維奇（Halina Abramowicz）領(lǐng)導(dǎo)著歐洲戰(zhàn)略形成的程序。她說，如果日本到2018年底還不清晰表明有意主持ILC，“在未來的討論中ILC就會(huì)變成不相干的內(nèi)容，那有著巨大的潛在含義。”比方說，給ILC開綠燈，就可能將高光度LHC（獲得批準(zhǔn)的升級(jí)）的研究重心轉(zhuǎn)移到質(zhì)子與質(zhì)子相互作用的高能端，這與用LHC研究希格斯玻色子是“迥異的處境”。

美國的建議會(huì)比歐洲稍晚。美國的“粒子物理學(xué)項(xiàng)目?jī)?yōu)化專家組”高度好評(píng)500 GeV能量的ILC。如果規(guī)模縮小的對(duì)撞機(jī)變成認(rèn)真考慮的目標(biāo)，那么美國科學(xué)家群體需要更仔細(xì)的審視。美國能源部的高能物理的科學(xué)副主管吉姆·西格里斯特（Jim Siegrist）說道：“有許多個(gè)決定，首先，250 GeV能量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)是否足夠好？日本想不想主持項(xiàng)目？還有，我們?nèi)绾螌?shí)施該項(xiàng)目？”他表示，日本文部科學(xué)省與美國能源部之間的高層次商討在進(jìn)行中。

ILC的支持者相信，ILC的時(shí)機(jī)很有利。在美國，到2026年時(shí)，“深度地下中微子實(shí)驗(yàn)”應(yīng)該已經(jīng)建設(shè)和運(yùn)行，洛克耶說：“所以美國高能物理研究項(xiàng)目的大筆資金開始開放?！盋ERN也會(huì)完成LHC高光度升級(jí)，但尚未開始制造能量升級(jí)所需的磁鐵?！坝袀€(gè)全球性的機(jī)會(huì)窗口?！彼f。ILC最有利的情況是在21世紀(jì)30年代初完工。

ILC會(huì)是由日本主導(dǎo)并在日本建造的首個(gè)國際性科研設(shè)施，這既是憂慮的源泉，也是自豪的來源。山下了說，日本文部科學(xué)省缺乏領(lǐng)導(dǎo)這樣規(guī)模項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，這是最大的挑戰(zhàn)。另一個(gè)挑戰(zhàn)來自于資金。村山齊說：“假如文部科學(xué)省的預(yù)算保持平穩(wěn)的話，我看不到項(xiàng)目有實(shí)現(xiàn)的可能?！北M管在項(xiàng)目繼續(xù)進(jìn)行、合作國家參與進(jìn)來之前，開支的分配和實(shí)物捐助無法實(shí)現(xiàn)，但外界期望日本會(huì)支付超過一半的費(fèi)用。假如項(xiàng)目確實(shí)進(jìn)行下去，中國、印度、俄羅斯和其他國家或許也會(huì)加入進(jìn)來。

田中達(dá)說，讓ILC合作正式化代表了先有雞還是先有蛋的問題?！叭毡菊幌朊帮L(fēng)險(xiǎn)，除非有正面的結(jié)果，而歐洲和美國需要見到日本清楚的主導(dǎo)意圖后，才會(huì)付諸行動(dòng)?！?/p>

“需要從中立立場(chǎng)挪動(dòng)一下位置，”CERN的直線對(duì)撞機(jī)合作方面的主管林恩·埃文斯（Lyn Evans）說道，他負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)ILC和CLIC的全球研究，“日本的進(jìn)展緩慢又不透明。局面就像一根二極管。我們給予信息，但沒有得出任何東西。”他回憶道，同樣的事之前也發(fā)生在討論日本對(duì)LHC的貢獻(xiàn)時(shí)候。