《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》的目標(biāo)之一是選擇一個(gè)希格斯工廠，對(duì)加速器和探測(cè)器進(jìn)行研發(fā)，開展項(xiàng)目可行性研究并改善環(huán)境的可持續(xù)性。

2020年6月，歐洲核子研究中心（CERN）理事會(huì)全票通過了《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》。新戰(zhàn)略把建造正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）作為最高優(yōu)先事項(xiàng)。歐洲粒子物理學(xué)界志在建造一個(gè)用于精細(xì)研究希格斯玻色子的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，并計(jì)劃確定100 TeV強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（即“FCC”）的可行性——FCC預(yù)計(jì)造價(jià)為210億歐元。作為第一步，F(xiàn)CC隧道和基礎(chǔ)設(shè)施可以當(dāng)作一個(gè)希格斯工廠。

新戰(zhàn)略指出，在謀劃建造未來對(duì)撞機(jī)的同時(shí)，歐洲粒子物理學(xué)界應(yīng)繼續(xù)推進(jìn)既定的研究計(jì)劃。其中最重要的是把CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）升級(jí)為“高亮度LHC”，以及支持并參與日本和美國(guó)的中微子項(xiàng)目——尤其是長(zhǎng)基線中微子設(shè)施（LBNF）及相關(guān)的深層地下中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE）。

該戰(zhàn)略展望，歐洲與世界各地的伙伴攜手合作，同時(shí)確保其在基于加速器的粒子物理學(xué)和相關(guān)技術(shù)的“持續(xù)的科技領(lǐng)先地位”。為了實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)，真正建成可運(yùn)行的對(duì)撞機(jī)，而不是紙上談兵，就必須從四種可能的希格斯工廠建設(shè)方案中快速做出決策。此外，F(xiàn)CC的可行性研究應(yīng)在7年內(nèi)完成，以便在下一次戰(zhàn)略更新之前及時(shí)提出可靠的建議。2020版新戰(zhàn)略是對(duì)最初的2006版戰(zhàn)略的第二次更新。

在歷時(shí)兩年的戰(zhàn)略制定過程中，成千上萬的科學(xué)家做出了貢獻(xiàn)。CERN理事會(huì)成員、德國(guó)馬克斯·普朗克物理研究所的齊格弗里德·貝思克（Siegfried Bethke）透露，“新戰(zhàn)略的批準(zhǔn)過程很敏感，我們對(duì)每個(gè)逗號(hào)都進(jìn)行了討論”。CERN理事會(huì)由23個(gè)成員國(guó)每國(guó)各派一名科學(xué)家和一名政府代表組成。以色列特拉維夫大學(xué)的哈利娜·阿布拉莫維奇（Halina Abramowicz）主持了新戰(zhàn)略的決策過程。她表示：“希望我們的建議能夠推動(dòng)這些想法向前發(fā)展?！?/p>

周長(zhǎng)100千米的未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)將從日內(nèi)瓦湖下面穿過。項(xiàng)目將從建造正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)起步，而后升級(jí)為100 TeV強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。對(duì)于該項(xiàng)目是否繼續(xù)推進(jìn)的可行性研究，是《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》的一個(gè)最高優(yōu)先事項(xiàng)

希格斯工廠哪家強(qiáng)？

阿布拉莫維奇認(rèn)為：“要尋找超標(biāo)準(zhǔn)模型新物理，顯而易見的著手之處是對(duì)希格斯玻色子的專心研究，因?yàn)樗鼤?huì)耦合到所有事物?！边@就是為什么《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》的第一個(gè)建議就是建造希格斯工廠，因?yàn)橄８袼构S只涉及基本粒子之間的凈碰撞，而不會(huì)像強(qiáng)子碰撞那樣產(chǎn)生更復(fù)雜的混亂。

2012年，粒子物理學(xué)家首次在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上觀測(cè)到希格斯粒子。盡管理論物理學(xué)家此前已經(jīng)預(yù)言了希格斯粒子的存在，但并未確定其質(zhì)量。至于下一步要尋找什么粒子，粒子物理學(xué)界處于迷茫中，理論有很多，卻沒有清晰明確的預(yù)測(cè)。英國(guó)利物浦大學(xué)的馬克斯·克萊因（Max Klein）負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)CERN的電子-強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的發(fā)展，他坦言：“我們沒有可靠的理論指導(dǎo)，這就需要一個(gè)經(jīng)過權(quán)衡的折中項(xiàng)目，我們也許應(yīng)該對(duì)項(xiàng)目將來可能取得的發(fā)現(xiàn)做出更少的承諾。探索自然界，尋找解決粒子物理學(xué)持久難題的答案，都需要提高粒子碰撞過程的能量、亮度以及碰撞方法的多樣性。”

2020年1月，數(shù)十名粒子物理學(xué)家在德國(guó)巴特洪內(nèi)夫舉行會(huì)議，敲定了《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》的細(xì)節(jié)。哈利娜·阿布拉莫維奇（前排中間）是該戰(zhàn)略組組長(zhǎng)。站在阿布拉莫維奇身后的是CERN總干事法比奧拉·吉亞諾蒂和CERN理事會(huì)主席烏蘇拉·巴斯勒

美國(guó)芝加哥大學(xué)的金英琪（Young-Kee Kim）指出：“我們需要比標(biāo)準(zhǔn)模型更完整的一種新的物理理論?！彼I(lǐng)導(dǎo)著當(dāng)前的斯諾馬斯研究，該研究將一直持續(xù)到2021年底，將提供美國(guó)同行對(duì)于《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》的意見。

在希格斯工廠的四個(gè)候選項(xiàng)目中，最長(zhǎng)遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)是擬在日本建造的國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)（ILC），這個(gè)項(xiàng)目的想法已經(jīng)醞釀了大約20年。ILC將在20千米長(zhǎng)的隧道中產(chǎn)生250 GeV的質(zhì)心碰撞，估計(jì)造價(jià)為50億～60億美元，其中不包括人力成本。可以通過延長(zhǎng)隧道長(zhǎng)度，或者也許可以通過升級(jí)到加速梯度更大的新加速器技術(shù)，來提高能量。新戰(zhàn)略文件稱，如果ILC快速實(shí)現(xiàn)，歐洲粒子物理學(xué)界“將希望與ILC項(xiàng)目開展合作”。阿布拉莫維奇指出：“如果日本將該項(xiàng)目推向前進(jìn)，將是對(duì)粒子物理學(xué)界的一個(gè)極大利好?！?/p>

日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)（KEK）執(zhí)行董事岡田康弘（Yasuhiro Okada）表示，日本“歡迎歐洲伸出的橄欖枝”，并且日本在繼續(xù)推進(jìn)似乎停滯不前的ILC方面“可以有所作為”。該項(xiàng)目不僅需要日本，還需要?dú)W洲、美國(guó)和其他合作伙伴的財(cái)政和人力支持。岡田指出，國(guó)際未來加速器委員會(huì)（ICFA）于2020年2月22日發(fā)表的關(guān)于ILC的聲明，也能促使日本繼續(xù)推進(jìn)該項(xiàng)目。

2020年夏天，ILC開始了最終的工程設(shè)計(jì)工作。同時(shí)，岡田希望日本文部科學(xué)省“加強(qiáng)與其他國(guó)家的研討”。他說，ILC有望在21世紀(jì)30年代中期開始運(yùn)行。這將具有與高亮度LHC運(yùn)行時(shí)間重疊的優(yōu)勢(shì)，高亮度LHC預(yù)計(jì)在2027年開始運(yùn)行直到下一個(gè)十年末。

希格斯工廠的另一個(gè)選擇是緊湊型直線對(duì)撞機(jī)（CLIC），這是CERN的一個(gè)長(zhǎng)期項(xiàng)目。使用CLIC，可以在相對(duì)較短的11 千米距離內(nèi)，將電子和正電子加速到以380 GeV的能量碰撞，并且設(shè)計(jì)能量能擴(kuò)展到3 TeV。貝思克表示，盡管新戰(zhàn)略沒有支持CLIC，但是如果100千米的 FCC最終“以失敗告終”，那么可以復(fù)活CLIC項(xiàng)目。

希格斯工廠的其他候選項(xiàng)目都是環(huán)形對(duì)撞機(jī)。CERN正考慮就在未來將建造FCC強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的那同一條100千米長(zhǎng)的隧道中，建造一個(gè)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)FCC-ee。中國(guó)也有類似的提議，即100千米環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC），以后同樣也可以轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)子對(duì)撞機(jī)。同步輻射限制了環(huán)形加速器的能量范圍，中國(guó)和歐洲這兩個(gè)對(duì)撞機(jī)的正負(fù)電子對(duì)撞的可預(yù)見能量范圍都約為90～350 GeV。在這樣的能量下，環(huán)形對(duì)撞機(jī)的亮度要比直線對(duì)撞機(jī)更高，并且可以容納多個(gè)探測(cè)器。

即使ILC向前推進(jìn)，F(xiàn)CC-ee仍然值得建造?！八鼈兛梢曰パa(bǔ)，”阿布拉莫維奇指出。ILC可以更早啟動(dòng)運(yùn)行，如果能量擴(kuò)展到500 GeV，就能研究希格斯自耦合?！坝辛薋CC-ee，我們可以降低能量，對(duì)其他的標(biāo)準(zhǔn)模型耦合進(jìn)行極其精確的測(cè)量，”她說，“而且，我們可以獲得大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，來研究味對(duì)稱性是否守恒?！钡强紤]到所涉及的巨大成本，克萊因指出，建造兩個(gè)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)是有問題的，而且許多粒子物理學(xué)家認(rèn)為，如果ILC項(xiàng)目繼續(xù)推進(jìn)，那么，歐洲應(yīng)該直接去建造一個(gè)純粹的未來環(huán)形強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。

能量邊界

荷蘭拉德堡德大學(xué)的西耶布蘭特·德容（Sijbrand de Jong）指出，歐洲粒子物理學(xué)界的最終目標(biāo)是建造一個(gè)產(chǎn)生強(qiáng)子碰撞的FCC，“通過擴(kuò)展能量邊界，我們進(jìn)入人類從未探索過的一個(gè)能量范圍。為了說服其他人，我們必須提出更切實(shí)的目標(biāo)，才能爭(zhēng)取到資助?？赡苄院芏?，但并非一切可能性最終都可以變成現(xiàn)實(shí)。”

在CERN建造FCC將需要經(jīng)過其在日內(nèi)瓦湖下面的100千米隧道。確定地質(zhì)條件是否合適以及能否獲得許可，是可行性研究的一部分。該項(xiàng)目還將從私人用地下面穿過，而且包括地上豎井和一個(gè)地面電網(wǎng)，因此，當(dāng)?shù)毓娔芊窠邮苤陵P(guān)重要。環(huán)境問題，例如分離出的污物置于何處，也很重要。

戰(zhàn)略協(xié)調(diào)員、荷語布魯塞爾自由大學(xué)的約根·東特（Jorgen D’Hondt）認(rèn)為：“最大的問題就是能耗?！彼赋觯粋€(gè)希格斯工廠的能耗將是當(dāng)前大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的三倍。“問題制造者，也應(yīng)該成為問題解決者。我們需要開發(fā)更好的替代技術(shù)以減少能耗?！贝送?，他補(bǔ)充說，對(duì)于來自加速器以及冷卻和計(jì)算系統(tǒng)的廢熱，應(yīng)該更有效地加以再利用。

技術(shù)上的主要障礙是生產(chǎn)16 T的超導(dǎo)磁體（幾乎是現(xiàn)有LHC磁體強(qiáng)度的兩倍），從而操縱和聚焦循環(huán)加速的質(zhì)子。目前正在使用鈮錫進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是這種材料的脆性使其難以制成制造電磁體所需的超導(dǎo)線材。到目前為止，已經(jīng)準(zhǔn)備在高亮度LHC中測(cè)試11 T磁體，并且科學(xué)家已經(jīng)獲得了更強(qiáng)韌的演示磁體。貝思克說：“我們估計(jì)制造出16～20 T的鈮-錫磁體需要20～25年?！笨茖W(xué)家同時(shí)也在研究高溫超導(dǎo)磁體。

最后，在歐洲粒子物理學(xué)界建議向前推進(jìn)FCC項(xiàng)目之前，必須與忠誠(chéng)的合作伙伴一起制定穩(wěn)健的財(cái)務(wù)計(jì)劃?！癋CC將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出CERN的預(yù)算，”貝思克提醒，“我們將需要成員國(guó)以及日本、美國(guó)、俄羅斯和其他國(guó)家的大量額外資助?！?/p>

如果中國(guó)繼續(xù)推進(jìn)建造一個(gè)與FCC類似的對(duì)撞機(jī)，我們將很難證明建造FCC的合理性。CEPC國(guó)際咨詢委員會(huì)委員、芝加哥大學(xué)的金英琪認(rèn)為，“CEPC即使對(duì)中國(guó)來說，也將是一個(gè)雄心勃勃的大項(xiàng)目，可能是中國(guó)引以為傲的項(xiàng)目”。CEPC是中國(guó)十四五規(guī)劃中可能會(huì)考慮立項(xiàng)資助的幾個(gè)大型國(guó)際項(xiàng)目之一。金英琪指出：“該項(xiàng)目要取得成功，需要國(guó)際社會(huì)的重大技術(shù)貢獻(xiàn)和科學(xué)參與，還需要其他地區(qū)的財(cái)政資助。”

中美之間日益緊張的局勢(shì)，可能使兩國(guó)都會(huì)參與的新項(xiàng)目的實(shí)施變得困難重重。但是，東特認(rèn)為，如果中國(guó)繼續(xù)推進(jìn)其希格斯工廠，將改變歐洲的計(jì)劃?！叭蚍秶鷥?nèi)出現(xiàn)任何一個(gè)新的對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目，都會(huì)引起我們對(duì)歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略的重新評(píng)估”。

《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》建議粒子物理學(xué)界繼續(xù)研究替代性的加速技術(shù)。東特說：“我們對(duì)FCC項(xiàng)目已經(jīng)下定決心，但為謹(jǐn)慎起見，我們將繼續(xù)調(diào)研其他可選項(xiàng)目?！敝饕敲熳訉?duì)撞機(jī)、等離子體尾波場(chǎng)加速器和CLIC，這三種都被廣泛認(rèn)為是可以在更遙遠(yuǎn)的將來采用的方法，或是在FCC倘若失敗的情況下備選的方法。

美國(guó)粒子物理學(xué)界曾考慮過μ子對(duì)撞機(jī)，在2014年又放棄了這一方案。但是，這個(gè)備選項(xiàng)目現(xiàn)在正在全世界重新引起關(guān)注。東特說，μ子碰撞的優(yōu)點(diǎn)是“用10～15 TeV的μ子碰撞，可獲得堪比100 TeV的質(zhì)子碰撞的物理現(xiàn)象?！彼忉屨f，μ子碰撞的困難在于其壽命短。“必須立即將它們集結(jié)成束并使其碰撞?！贝送猓邚?qiáng)度、高能量的μ子束會(huì)在波動(dòng)中產(chǎn)生中微子和其他粒子，這些粒子與原子相互作用產(chǎn)生強(qiáng)子簇射，可能對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和人體造成危害。

在等離子體尾波場(chǎng)加速中，一束入射激光或其他驅(qū)動(dòng)光束使電離氣體中的電子沿著驅(qū)動(dòng)光束的橫向場(chǎng)振蕩。被捕獲的電荷形成“波浪”，以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)。注入“波浪”中的粒子會(huì)受到一個(gè)強(qiáng)大的加速場(chǎng)作用。馬克斯·普朗克物理研究所的艾倫·考德威爾（Allen Caldwell）指出：“強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)加速很有用，但正電子的加速看起來仍然很困難。要在實(shí)現(xiàn)高能量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高亮度是一個(gè)挑戰(zhàn)，我們還沒做好充分的準(zhǔn)備。”

考德威爾很高興新戰(zhàn)略提到了等離子體尾波場(chǎng)和其他替代性加速技術(shù)，并且認(rèn)可中微子物理學(xué)、暗物質(zhì)搜尋和其他研究方向的重要性。他表示，盡管如此，“大型對(duì)撞機(jī)仍然是該戰(zhàn)略的前沿和核心。并非研究對(duì)撞機(jī)的粒子物理學(xué)家可能感到被排斥在外?！笨嫉峦柪^續(xù)談道，“從我的口味來說，這個(gè)新戰(zhàn)略是保守的。這個(gè)戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)將需要數(shù)十年的時(shí)間，它足以吸引下一代科學(xué)家的想象力嗎？是否足夠大膽，能在未來50年甚至更長(zhǎng)時(shí)間里，持續(xù)得到粒子物理學(xué)界的關(guān)注和聚焦？”

可持續(xù)發(fā)展與社會(huì)

《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》的第一條是關(guān)于環(huán)境和社會(huì)影響的聲明?！按笮蛯?duì)撞機(jī)消耗巨大的能量，我們想考慮如何循環(huán)利用能源，”阿布拉莫維奇表示，“我們使用對(duì)地球有害的氣體，并且希望避免使用如果泄漏會(huì)造成環(huán)境污染的液體?！睉?zhàn)略文件鼓勵(lì)減少出行，還說：“任何一個(gè)重大項(xiàng)目的審批程序，都應(yīng)包括對(duì)環(huán)境影響最小化和對(duì)能源的節(jié)約再利用的詳細(xì)計(jì)劃。”

瑞士保羅謝勒研究所的萊昂尼德·里夫金（Leonid Rivkin）也是戰(zhàn)略協(xié)調(diào)員之一，他指出，新戰(zhàn)略的目標(biāo)至少要綿延到2080年。這就是新戰(zhàn)略著重強(qiáng)調(diào)加速器的研發(fā)和相關(guān)教育推動(dòng)的原因。新戰(zhàn)略呼吁粒子物理學(xué)家“與教育工作者和有關(guān)當(dāng)局合作，探索將基本粒子及其相互作用的基礎(chǔ)知識(shí)納入學(xué)校常規(guī)課程中，”德容指出，“人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解，不應(yīng)該僅僅停留在質(zhì)子這個(gè)層面，而應(yīng)該更深入一層。粒子物理學(xué)是主流文化的一部分，觸及各種社會(huì)問題，包括核能、聚變能、醫(yī)療診斷和治療工具，這些都與人們的日常生活息息相關(guān)?！?/p>

更直接的問題是新冠肺炎疫情是否以及如何影響新戰(zhàn)略的實(shí)施。CERN的年度預(yù)算約13億瑞士法郎來自成員國(guó)，并且通過法律協(xié)定予以確定。到目前為止，預(yù)算經(jīng)費(fèi)看起來很穩(wěn)定。里夫金感到，新冠肺炎大流行和隨之而來的經(jīng)濟(jì)困境令人擔(dān)憂。“我們希望成員國(guó)認(rèn)識(shí)到粒子物理學(xué)和科學(xué)對(duì)人類發(fā)展技術(shù)和解決社會(huì)問題的重要性。我們激勵(lì)聰明的年輕人敢于挑戰(zhàn)，提出未來前沿研究的想法?！睂?duì)較小的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行資助也很重要，他補(bǔ)充道，“求木之長(zhǎng)者，必固其根本。根之不固，則何來大樹蒼天哉？”

資料來源 Physics Today