从“上帝粒子”到宇宙本源：欧洲核子研究中心再启百年工程
欧洲核子研究中心的大型强子对撞机曾重塑人类对宇宙的认知。如今，这家实验室计划建造一台规模更大的设备，并获得了科学界的一致支持。
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时事通讯：瑞士媒体里的中国
70多年来，位于日内瓦郊外的欧洲核子研究中心一直是全球粒子物理学的最高殿堂。它建立在25个成员国、10个准成员国，以及美国和欧盟等观察员国共同合作的基础之上。它也建立在一个信念之上：有些科学命题太过宏大，非单一国家之力所能解答。比如，宇宙究竟由什么构成？物质为何会存在？宇宙大爆炸后的最初瞬间究竟发生了什么？
2012年，这一信念得到了回报。在欧洲核子研究中心大型强子对撞机工作的科学家宣布发现希格斯玻色子，也就是所谓的“上帝粒子”。它为基本粒子赋予质量，而基本粒子正是构成宇宙的最小成分。曾担任欧洲核子研究中心总干事长达10年，并于今年1月卸任的法比奥拉·吉亚诺蒂(Fabiola Gianotti)说：“如果没有希格斯玻色子，我们便不会存在。”
本系列报道探讨了这个世界上最大的粒子物理实验室在追求其科学雄心上的进展，及其作为“理解宇宙的国际交汇中心”所做的努力。
但这一发现带来的新问题几乎和它解答的问题一样多。如今，随着大型强子对撞机的探测能力逐渐接近极限，欧洲核子研究中心正计划迈出迄今最大胆的一步：建造一台新的粒子对撞机，其规模接近大型强子对撞机的4倍，深埋于地下200米处，线路将穿过日内瓦湖和罗纳河下方。这一项目名为未来环形对撞机(Future Circular Collider，简称FCC)，预计将于本世纪40年代投入运行。它将成为人类迄今建造的规模最大的科学仪器。而在支持者看来，它也将是最重要的科学仪器。该项目预计耗资150亿瑞郎(约合人民币1290亿元)。在复杂的地缘政治环境下，如何筹集这笔资金已经成为欧洲核子研究中心面临的下一项重大挑战。
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加州理工学院的欧洲核子研究中心合作者玛丽亚·斯皮罗普卢(Maria Spiropulu)表示：“未来环形对撞机对这个领域极为重要。如果有谁能完成这件事，那一定是欧洲核子研究中心。”
希格斯玻色子留下的未解之谜
今年1月出任欧洲核子研究中心新任总干事的英国物理学家马克·汤姆森(Mark Thomson)说：“每当我进行公开演讲时，我总会列出粒子物理学中8个重大的未解问题，其中半数都与希格斯玻色子有关。”汤姆森希望弄清楚，为什么已知的12种基本粒子具有不同的质量，以及希格斯玻色子本身是否应被视为一种基本粒子。以目前大型强子对撞机的精度，还不足以回答这些问题。
其他物理学家则被更深层的科学奥秘所吸引。苏黎世大学粒子物理学家本·基尔明斯特(Ben Kilminster)正致力于暗物质的研究。他说：“如果你说自己拥有一套解释宇宙中所有粒子的模型，却不知道宇宙中剩下80%至85%的质量究竟由什么构成，这多少有点令人尴尬。”此外，还有一个谜团同样关键：为什么宇宙大爆炸产生的物质多于反物质？
基尔明斯特说：“未来环形对撞机能够通过独立测试处理数量最多的重大未解问题。”
>>“有史以来最非凡的仪器”？观看我们关于未来环形对撞机的视频：
面向下个世纪的设备
未来环形对撞机在一期项目中将成为物理学家所说的“希格斯玻色子工厂”，也就是一台能够在精确受控条件下大量产生希格斯玻色子的机器。电子和正电子将在一条周长90.7公里的新环形隧道内运行，这一长度超过大型强子对撞机3倍，线路最深处可达地下200米。
汤姆森表示：“建造未来环形对撞机的主要目的，实际上就是为了更深入地研究希格斯玻色子，并以此为工具探索我们尚未认知的宇宙领域。”
在预计于21世纪70年代投运的二期项目中，同一隧道将容纳一台质子对撞机，其粒子对撞能量将达到当前大型强子对撞机的十倍。这台新设备将把现有理论假设推向极限，并可能发现质量更大的全新粒子。基尔明斯特表示：“这能使我们创造出质量约为现有粒子10倍的新粒子。”
一项由1500名专家参与并获欧洲核子研究中心理事会批准的可行性研究，已经确认了该项目的科学意义。研究报告审查了该实验室的科学目标、所在地区的地质条件，以及新建对撞机的成本和环境影响。由欧洲核子研究中心任命、汇聚欧洲多位顶尖粒子物理学家的欧洲战略小组称，未来环形对撞机将带来“全球覆盖范围最广的高精度粒子物理学计划，并具有卓越的科学发现潜力”。汤姆森说：“在粒子物理学界，对于未来环形对撞机是正确的发展方向，已经形成绝对明确的共识”。
他说：“我们评估了所有方案，未来环形对撞机显然是科学上最受青睐的建造方案。”
超越物理学范畴
尽管科学界对未来环形对撞机的支持十分坚定，但围绕该项目的政治和社会共识仍在形成之中。项目所需的150亿瑞郎(约合人民币1290亿元)资金远未落实，当地民众的反对声也在上升。由日内瓦非政府组织Noé21牵头的一个瑞士和法国协会网络，已经发起针对该项目的持续抗议活动。欧洲核子研究中心目前的耗电量已占到整个日内瓦州总用电量的三分之一左右，而项目建设预计将产生约800万立方米的挖掘土方。Noé21的让-贝尔纳·比莱特(Jean-Bernard Billeter)表示：“我理解欧洲核子研究中心的需求，但这并不意味着我们必须接受一个耗资数百亿、并在未来多年里让这一地区深受其害的项目。”
汤姆森承认，该项目仍需要进一步充分论证。他说：“我们必须证明，我们能够以对环境负责的方式建造这台机器。”
科学家们还指出，欧洲核子研究中心的科学发现所带来的回报远远超出实验室范畴。万维网正是诞生于欧洲核子研究中心。粒子加速器催生了癌症治疗中使用的放射治疗设备。欧洲核子研究中心开发的高能同步辐射光源，如今已成为分析新材料和研发新药的重要工具。
未来环形对撞机的二期项目还将推动高场磁体所需的高温超导体技术进步，而这类技术可直接应用于医学影像和核聚变能源。汤姆森说：“在粒子物理学中，我们试图完成近乎不可能的事情，也因此把相关技术发展到近乎不可能的水平。到最后，下游应用总会自然涌现出来。”
在未来环形对撞机的任何建设工作启动之前，欧洲核子研究中心现有的设备将先进行一次重大升级改造。6月30日，大型强子对撞机将进入为期四年的停机升级。升级后的设备被称为“高亮度大型强子对撞机”，目标是将质子碰撞产额提升至原设计的十倍左右，从而对希格斯玻色子进行更为精确的测量，包括首次观测其自相互作用。
物理学家将安装由新型超导材料制成的新型磁体，将磁场强度从目前的8.6特斯拉提高到11.3特斯拉。加州理工学院的玛丽亚·斯皮罗普鲁参与开发了一种用于CMS实验的新型定时探测器，能够分辨出发生间隔仅为30皮秒的碰撞事件。
用汤姆森的话说，高亮度大型强子对撞机升级将开启“大型强子对撞机的新纪元”，也将成为通向下一阶段科学探索的桥梁。
中国超级对撞机计划以环形正负电子对撞机为核心，由中国科学家在希格斯玻色子发现后提出，拟建设一座周长约100公里的地下环形加速器，通过电子与正电子对撞开展高精度实验，重点研究希格斯粒子、电弱相互作用及潜在新物理。其设计还预留升级空间，可在未来发展为更高能量的质子对撞机。基准方案预计十年内可产生约260万个希格斯事例，若提升束流功率，产出还将进一步增加。
从成本看，中国的环形正负电子对撞机项目预算约364亿元人民币，明显低于欧洲未来环形对撞机，具备一定国际竞争力。目前项目已完成技术设计报告，进入工程设计与审批准备阶段，但尚未正式立项，也未被纳入最新五年规划。相关团队计划在2030年前后再次申报，同时根据国际项目进展调整策略。
(编辑：Gabe Bullard及Veronica DeVore/dos，编译自英语：瑞士资讯中文部/gj)
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