從「上帝粒子」到宇宙本源：歐洲核子研究中心再啟百年工程
歐洲核子研究中心的大型強子對撞機曾重塑人類對宇宙的認知。如今，這家實驗室計劃建造一台規模更大的設備，並獲得了科學界的一致支持。
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70多年來，位於日內瓦郊外的歐洲核子研究中心一直是全球粒子物理學的最高殿堂。它建立在25個成員國、10個準成員國，以及美國和歐盟等觀察員國共同合作的基礎上。它也建立在一個信念之上：有些科學命題太過宏大，非單一國家之力所能解答。比如，宇宙究竟由什麼構成？物質為何會存在？宇宙大爆炸後的最初瞬間究竟發生了什麼事？
2012年，這項信念得到了回報。在歐洲核子研究中心大型強子對撞機工作的科學家宣布發現希格斯玻色子，也就是所謂的「上帝粒子」。它為基本粒子賦予質量，而基本粒子正是構成宇宙的最小成分。曾擔任歐洲核子研究中心總幹事長達10年，並於今年1月卸任的法比奧拉·吉亞諾蒂(Fabiola Gianotti)說：「如果沒有希格斯玻色子，我們便不會存在。」
本系列報導探討了這個世界上最大的粒子物理實驗室在追求其科學雄心上的進展，及其作為「理解宇宙的國際交會中心」所做的努力。
但這項發現帶來的新問題幾乎和它解答的問題一樣多。如今，隨著大型強子對撞機的探測能力逐漸接近極限，歐洲核子研究中心正計劃邁出迄今最大膽的一步：建造一台新的粒子對撞機，其規模接近大型強子對撞機的4倍，深埋於地下200米處，線路將穿過日內瓦湖和羅納河下方。這項計畫名為未來環形對撞機(Future Circular Collider，簡稱FCC)，預計將於本世紀40年代投入運作。它將成為人類迄今建造的規模最大的科學儀器。而在支持者看來，它也將是最重要的科學儀器。該項目預計耗資150億瑞郎(約合人民幣1290億元)。在複雜的地緣政治環境下，如何籌集這筆資金已經成為歐洲核子研究中心面臨的下一個重大挑戰。
>>這項耗資150億瑞郎的宏大計劃，面對的不只是科技與科學難題，更是日益分裂的世界：
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加州理工學院的歐洲核子研究中心合作者瑪麗亞·斯皮羅普盧(Maria Spiropulu)表示：「未來環形對撞機對這個領域極為重要。如果有誰能完成這件事，那一定是歐洲核子研究中心。」
希格斯玻色子留下的未解之謎
今年1月出任歐洲核子研究中心新任總幹事的英國物理學家馬克·湯姆森(Mark Thomson)說：「每當我進行公開演講時，我總會列出粒子物理學中8個重大的未解問題，其中半數都與希格斯玻色子有關。」湯姆森希望弄清楚一種基本粒子中的12種基本粒子具有不同的質量，以及希格斯玻色子有關。」湯姆森希望弄清楚的12種基本粒子具有不同的質量，以及希格斯玻色子本身是否應該被視為一種基本粒子。以目前大型強子對撞機的精準度，還不足以回答這些問題。
其他物理學家則被更深層的科學奧秘所吸引。蘇黎世大學粒子物理學家本·基爾明斯特(Ben Kilminster)正致力於暗物質的研究。他說：「如果你說自己擁有一套解釋宇宙中所有粒子的模型，卻不知道宇宙中剩下80%至85%的質量究竟由什麼構成，這多少有點令人尷尬。」此外，還有一個謎團同樣關鍵：為什麼宇宙大爆炸產生的物質多於反物質？
基爾明斯特說：「未來環形對撞機能夠通過獨立測試處理數量最多的重大未解問題。」
>>「有史以來最非凡的儀器」？觀看我們關於未來環形對撞機的影片：
面向下個世紀的設備
未來環形對撞機在一期計畫中將成為物理學家所說的「希格斯玻色子工廠」，也就是一台能夠在精確受控條件下大量產生希格斯玻色子的機器。電子和正電子將在一條週長90.7公里的新環形隧道內運行，這一長度超過大型強子對撞機3倍，線路最深處可達地下200公尺。
湯姆森表示：「建造未來環形對撞機的主要目的，實際上就是為了更深入地研究希格斯玻色子，並以此為工具探索我們尚未認知的宇宙領域。」
在預計於21世紀70年代投運的二期計畫中，同一隧道將容納一台質子對撞機，其粒子對撞能量將達到目前大型強子對撞機的十倍。這台新設備將把現有理論假設推向極限，並可能發現質量更大的全新粒子。基爾明斯特表示：「這能使我們創造出質量約為現有粒子10倍的新粒子。」
一項由1500名專家參與並獲歐洲核子研究中心理事會批准的可行性研究，已經確認了該計畫的科學意義。研究報告審查了實驗室的科學目標、所在地區的地質條件，以及新建對撞機的成本和環境影響。由歐洲核子研究中心任命、匯聚歐洲多位頂尖粒子物理學家的歐洲戰略小組稱，未來環形對撞機將帶來「全球覆蓋範圍最廣的高精度粒子物理學計劃，並具有卓越的科學發現潛力」。湯姆森說：「在粒子物理學界，對於未來環形對撞機是正確的發展方向，已經形成絕對明確的共識」。
他說：「我們評估了所有方案，未來環形對撞機顯然是科學上最受青睞的建造方案。」
超越物理學範疇
儘管科學界對未來環形對撞機的支持十分堅定，但圍繞該計畫的政治和社會共識仍在形成中。計畫所需的150億瑞郎(約合人民幣1290億元)資金遠未落實，當地民眾的反對聲浪也在上升。由日內瓦非政府組織Noé21領導的一個瑞士和法國協會網絡，已經發起針對該計畫的持續抗議活動。歐洲核子研究中心目前的耗電量已占到整個日內瓦州總用電量的三分之一左右，而工程建設預計將產生約800萬立方公尺的挖掘土方。 Noé21的讓-貝爾納·比萊特(Jean-Bernard Billeter)表示：「我理解歐洲核子研究中心的需求，但這並不意味著我們必須接受一個耗資數百億、並在未來多年裡讓這一地區深受其害的項目。」
湯姆森承認，該計畫仍需要進一步充分論證。他說：「我們必須證明，我們能夠以對環境負責的方式建造這台機器。」
科學家也指出，歐洲核子研究中心的科學發現所帶來的回報遠遠超出實驗室範疇。萬維網正是誕生於歐洲核子研究中心。粒子加速器催生了癌症治療中使用的放射治療設備。歐洲核子研究中心開發的高能量同步輻射光源，如今已成為分析新材料和研發新藥的重要工具。
未來環形對撞機的第二階段專案也將推動高場磁體所需的高溫超導體技術進步，而這類技術可直接應用於醫學影像和核融合能源。湯姆森說：「在粒子物理學中，我們試圖完成近乎不可能的事情，也因此把相關技術發展到近乎不可能的水平。到最後，下游應用總會自然湧現出來。」
在未來環形對撞機的任何建設工作啟動之前，歐洲核子研究中心現有的設備將先進行重大升級改造。6月30日，大型強子對撞機將進入為期四年的停機升級。升級後的設備被稱為「高亮度大型強子對撞機」，目標是將質子碰撞產額提升至原設計的十倍左右，從而對希格斯玻色子進行更為精確的測量，包括首次觀測其自相互作用。
物理學家將安裝由新型超導材料製成的新型磁鐵，將磁場強度從目前的8.6特斯拉提高到11.3特斯拉。加州理工學院的瑪麗亞·斯皮羅普魯參與開發了一種用於CMS實驗的新型定時探測器，能夠分辨出發生間隔僅30皮秒的碰撞事件。
用湯姆森的話來說，高亮度大型強子對撞機升級將開啟「大型強子對撞機的新紀元」，也將成為通往下一階段科學探索的橋樑。
中國超級對撞機計畫以環形正負電子對撞機為核心，由中國科學家在希格斯玻色子發現後提出，擬建造一座週長約100公里的地下環形加速器，透過電子與正電子對撞開展高精度實驗，重點研究希格斯粒子、電弱相互作用及潛在新物理。其設計還預留升級空間，可在未來發展為更高能量的質子對撞機。基準方案預計十年內可產生約260萬個希格斯事例，若提升束流功率，產出還會進一步增加。
從成本來看，中國的環形正負電子對撞機計畫預算約364億元人民幣，明顯低於歐洲未來環形對撞機，具備一定國際競爭力。目前工程已完成技術設計報告，進入工程設計與審核準備階段，但尚未正式立項，也未納入最新五年規劃。相關團隊計劃在2030年前後再次申報，同時根據國際專案進度調整策略。
(編輯：Gabe Bullard及Veronica DeVore/dos，編自英文：瑞士資訊中文部/gj，繁體校稿：盧品妤)
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