歐洲為什么花百億歐元建更大的粒子對撞機

在探尋“上帝粒子”和暗物質的路上，歐洲又往前走了一步。

2020 年 6 月 19 日，歐洲核子中心全票通過了《2020 歐洲粒子物理戰略》。該戰略決定，未來最高優先級別的事情，是研究希格斯玻色子(即“上帝粒子”)和高能量前沿探索。

為此，歐洲核子研究中心通過了一項決策，計劃建造一臺耗資 210 億歐元的高能物理實驗機器——未來環形對撞機(Future Circular Collider，FCC)。

這是一項長期計劃。2013 年《歐洲粒子物理戰略》更新時，就開始進行概念設計研究，打算建造一臺比 LHC 能量更高的環形對撞機。

LHC 全稱“大型強子對撞機”(Large Hadron Collider)，是目前規模最大的粒子物理實驗機器，FCC 正是 LHC 的繼任者。

2012 年，科學家們通過 LHC 上的對撞實驗，證實了希格斯玻色子存在，補上粒子物理學“標準模型”中最后一塊也是最重要的 “拼圖”。

“標準模型”是微觀現象的物理學基本理論，它被用于解釋物質世界的基本構成及其相互作用。

這個理論認為，希格斯玻色子是“質量之源”。其他粒子通過和希格斯玻色子相互作用，才能產生質量，接著有了引力，最終形成宇宙和生命。因此，希格斯玻色子有另外一個廣為人知的稱號：“上帝粒子”。

從 20 世紀 60 年代“標準模型”被提出，到 2012 年希格斯玻色子被捕獲，花費了 50 年時間。在這半個世紀里，立下汗馬功勞的，除了粒子科學家們，還有造價動輒上十億百億的高能粒子加速器。

能量更高的對撞機，意味著什么?

大型對撞機其實可被視為一種特殊的粒子加速器。加速器并不是什么稀奇事物，電視和計算機顯示器的顯像管，從原理上來說，就是一臺小小的電子加速器。但像 LHC 這樣的高能粒子加速器，世界上唯此一臺。

在加速器里，科學家們將(帶電)粒子加速到很快的速度(最快可以接近光速，但不能超越光速)，使其具有非常高的能量，然后轟擊到目標粒子上。

兩顆粒子碰撞后，會發出新粒子，這就是科學家們要觀測的事物。這個過程就好比，把兩個核桃相碰碎，外殼破裂后，得到里面的核桃仁。

自 1931 年第一臺圓形回旋加速器被發明，這種設備現在已經發生了翻天覆地的變化。第一臺圓形回旋加速器只有巴掌大小，直徑約 11 厘米，造價 25 美金，從設計到建成不足 1 年。而 LHC，周長 27 千米，造價超過 50 億瑞士法郎，從提出設想到成功實驗，歷時 25 年。

變化如此之大的背后，都是為了實現更高的碰撞能量。對粒子物理實驗而言，如果想看到更小的物質，就必須用更快速度去碰撞，以產生更高的能量。第一臺圓形回旋加速器的能量，只有 8 萬電子伏特，而 LHC 的碰撞能量以萬億計算，并且還經過多次升級，得以讓粒子物理實驗有所突破。

2011 年底，科學家們已經發現了希格斯玻色子存在的跡象，但還不能完全肯定。2012 年 4 月，為了精準捕獲希格斯玻色子，歐洲核子研究中心把 LHC 的最高能量，從 7 萬億電子伏特升級到了 8 萬億電子伏特

捕獲“上帝粒子”后，歐洲核子研究中心又對 LHC 進行了多次升級。2015 年 5 月，把 LHC 對撞能量升級到了 13 萬億電子伏特。

2018 年 12 月再次停機升級，2021 年 5 月重啟后，對撞能量將達 14 萬億電子伏特。

2025 年最后一次停機，直至 2027 年升級為“高亮度 LHC”。雖然對撞能量沒有提升，但能產生更多碰撞，積累數據將超過 LHC 10 倍。

盡管 LHC 有多次升級，但對于粒子物理來說，想要更上一層樓，得建造一個更大的實驗機器。

捕獲“上帝粒子”之后

捕獲希格斯玻色子后，“標準模型”完整了，但科學家們的工作沒有停止。不管是理論還是實驗結果，都表明這不是物質原理的終點。

“標準模型”能涵蓋宇宙大爆炸后許多物理過程和現象，但卻無法解釋暗物質、暗能量以及物質和反物質不平衡的問題。補充“標準模型”漏洞的“超對稱理論”，可以解釋暗物質、暗能量，但其預言的超對稱粒子，至今沒有找到。

諸多還沒解開的物理謎團，需要新物理來解釋。而精準測量“標準模型”的核心——希格斯玻色子，被認為是尋找新物理的最好突破口。

上文說到，LHC 在多次升級的情況下，最大對撞能量也只有 14 萬億電子伏特，還不能滿足精確測量希格斯玻色子的需求。想要把希格斯玻色子性質測量至 1% 的精度，需要可以產生 100 萬億電子伏特能量的設備。

因此，就誕生了 FCC 這樣更加龐大的對撞機計劃。FCC 全長 100 千米，被安置在一個環形隧道里，約 6 倍于正在運行的大型強子對撞機(Large Hadron Collider，簡稱 LHC)。按 CERN 的規劃，這個項目將坐落在瑞士和法國接壤區域。

在下圖中，橙色粗虛線即 FCC，左上角藍色實現為 LHC，其周長 27 千米，是目前碰撞能量最大的粒子對撞機。

這個項目實際上分兩步，第一步是建造一臺高亮度的正負電子對撞機，碰撞能量與 LHC 級別類似。第二步是終極目標，打造碰撞能量為 100 萬億電子伏特的質子-質子對撞機。

正負電子對撞機擁有極高的信噪比，可在極高精度下對希格斯玻色子進行測量，因此又被稱為“希格斯工廠”，專門用于產生大量的“上帝粒子”，進而探究其性質。中國倡議的環形正負電子對撞機(CEPC)，也是和 FCC 第一步大同小異的“希格斯工廠”。

不管是歐洲的 FCC，還是中國的 CEPC，都有一個核心的爭議：投入產出比。

歐洲的 FCC 預估造價 210 億歐元，中國的 CEPC 造價 400 億元，之后的質子對撞機(SppC)，造價 1000 億元。這些費用通常會由國際社會共同承擔，以中國 CEPC 和 SppC 為例，國際貢獻 30%，中國出資 70%。

如此巨額的投入，卻面臨著巨大的不確定性。建造更大對撞機的長遠目標，是為了探尋“標準模型”之外的新物理，但沒有證據表明，暗物質粒子和超對稱粒子會出現在新設備的能量范圍里。

理論物理學家楊振寧一直旗幟鮮明地反對建 CEPC，“超對稱粒子的存在只是一個猜想，沒有任何實驗根據，希望用極大對撞機發現此猜想中的粒子，更只是猜想加猜想”。美國曾經也有一個這樣的項目，叫超導超級對撞機(SSC)，因為造價飆升而中途放棄，白白浪費了 30 億美元。

不過，這樣大型的對撞機項目，有的時候會產生技術溢出效應，出現粒子物理領域外的收益。比如，因為要供全球科學家交流信息，歐子核子研究中心誕生了 Web 時代的基礎——萬維網。因為要計算大量實驗數據，該機構又發展出世界最大網格計算環境。

關鍵詞： 粒子對撞機