欧洲为什么花百亿欧元建更大的粒子对撞机

在探寻“上帝粒子”和暗物质的路上，欧洲又往前走了一步。

2020 年 6 月 19 日，欧洲核子中心全票通过了《2020 欧洲粒子物理战略》。该战略决定，未来最高优先级别的事情，是研究希格斯玻色子(即“上帝粒子”)和高能量前沿探索。

为此，欧洲核子研究中心通过了一项决策，计划建造一台耗资 210 亿欧元的高能物理实验机器——未来环形对撞机(Future Circular Collider，FCC)。

这是一项长期计划。2013 年《欧洲粒子物理战略》更新时，就开始进行概念设计研究，打算建造一台比 LHC 能量更高的环形对撞机。

LHC 全称“大型强子对撞机”(Large Hadron Collider)，是目前规模最大的粒子物理实验机器，FCC 正是 LHC 的继任者。

2012 年，科学家们通过 LHC 上的对撞实验，证实了希格斯玻色子存在，补上粒子物理学“标准模型”中最后一块也是最重要的 “拼图”。

“标准模型”是微观现象的物理学基本理论，它被用于解释物质世界的基本构成及其相互作用。

这个理论认为，希格斯玻色子是“质量之源”。其他粒子通过和希格斯玻色子相互作用，才能产生质量，接着有了引力，最终形成宇宙和生命。因此，希格斯玻色子有另外一个广为人知的称号：“上帝粒子”。

从 20 世纪 60 年代“标准模型”被提出，到 2012 年希格斯玻色子被捕获，花费了 50 年时间。在这半个世纪里，立下汗马功劳的，除了粒子科学家们，还有造价动辄上十亿百亿的高能粒子加速器。

能量更高的对撞机，意味着什么?

大型对撞机其实可被视为一种特殊的粒子加速器。加速器并不是什么稀奇事物，电视和计算机显示器的显像管，从原理上来说，就是一台小小的电子加速器。但像 LHC 这样的高能粒子加速器，世界上唯此一台。

在加速器里，科学家们将(带电)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，然后轰击到目标粒子上。

两颗粒子碰撞后，会发出新粒子，这就是科学家们要观测的事物。这个过程就好比，把两个核桃相碰碎，外壳破裂后，得到里面的核桃仁。

自 1931 年第一台圆形回旋加速器被发明，这种设备现在已经发生了翻天覆地的变化。第一台圆形回旋加速器只有巴掌大小，直径约 11 厘米，造价 25 美金，从设计到建成不足 1 年。而 LHC，周长 27 千米，造价超过 50 亿瑞士法郎，从提出设想到成功实验，历时 25 年。

变化如此之大的背后，都是为了实现更高的碰撞能量。对粒子物理实验而言，如果想看到更小的物质，就必须用更快速度去碰撞，以产生更高的能量。第一台圆形回旋加速器的能量，只有 8 万电子伏特，而 LHC 的碰撞能量以万亿计算，并且还经过多次升级，得以让粒子物理实验有所突破。

2011 年底，科学家们已经发现了希格斯玻色子存在的迹象，但还不能完全肯定。2012 年 4 月，为了精准捕获希格斯玻色子，欧洲核子研究中心把 LHC 的最高能量，从 7 万亿电子伏特升级到了 8 万亿电子伏特

捕获“上帝粒子”后，欧洲核子研究中心又对 LHC 进行了多次升级。2015 年 5 月，把 LHC 对撞能量升级到了 13 万亿电子伏特。

2018 年 12 月再次停机升级，2021 年 5 月重启后，对撞能量将达 14 万亿电子伏特。

2025 年最后一次停机，直至 2027 年升级为“高亮度 LHC”。虽然对撞能量没有提升，但能产生更多碰撞，积累数据将超过 LHC 10 倍。

尽管 LHC 有多次升级，但对于粒子物理来说，想要更上一层楼，得建造一个更大的实验机器。

捕获“上帝粒子”之后

捕获希格斯玻色子后，“标准模型”完整了，但科学家们的工作没有停止。不管是理论还是实验结果，都表明这不是物质原理的终点。

“标准模型”能涵盖宇宙大爆炸后许多物理过程和现象，但却无法解释暗物质、暗能量以及物质和反物质不平衡的问题。补充“标准模型”漏洞的“超对称理论”，可以解释暗物质、暗能量，但其预言的超对称粒子，至今没有找到。

诸多还没解开的物理谜团，需要新物理来解释。而精准测量“标准模型”的核心——希格斯玻色子，被认为是寻找新物理的最好突破口。

上文说到，LHC 在多次升级的情况下，最大对撞能量也只有 14 万亿电子伏特，还不能满足精确测量希格斯玻色子的需求。想要把希格斯玻色子性质测量至 1% 的精度，需要可以产生 100 万亿电子伏特能量的设备。

因此，就诞生了 FCC 这样更加庞大的对撞机计划。FCC 全长 100 千米，被安置在一个环形隧道里，约 6 倍于正在运行的大型强子对撞机(Large Hadron Collider，简称 LHC)。按 CERN 的规划，这个项目将坐落在瑞士和法国接壤区域。

在下图中，橙色粗虚线即 FCC，左上角蓝色实现为 LHC，其周长 27 千米，是目前碰撞能量最大的粒子对撞机。

这个项目实际上分两步，第一步是建造一台高亮度的正负电子对撞机，碰撞能量与 LHC 级别类似。第二步是终极目标，打造碰撞能量为 100 万亿电子伏特的质子-质子对撞机。

正负电子对撞机拥有极高的信噪比，可在极高精度下对希格斯玻色子进行测量，因此又被称为“希格斯工厂”，专门用于产生大量的“上帝粒子”，进而探究其性质。中国倡议的环形正负电子对撞机(CEPC)，也是和 FCC 第一步大同小异的“希格斯工厂”。

不管是欧洲的 FCC，还是中国的 CEPC，都有一个核心的争议：投入产出比。

欧洲的 FCC 预估造价 210 亿欧元，中国的 CEPC 造价 400 亿元，之后的质子对撞机(SppC)，造价 1000 亿元。这些费用通常会由国际社会共同承担，以中国 CEPC 和 SppC 为例，国际贡献 30%，中国出资 70%。

如此巨额的投入，却面临着巨大的不确定性。建造更大对撞机的长远目标，是为了探寻“标准模型”之外的新物理，但没有证据表明，暗物质粒子和超对称粒子会出现在新设备的能量范围里。

理论物理学家杨振宁一直旗帜鲜明地反对建 CEPC，“超对称粒子的存在只是一个猜想，没有任何实验根据，希望用极大对撞机发现此猜想中的粒子，更只是猜想加猜想”。美国曾经也有一个这样的项目，叫超导超级对撞机(SSC)，因为造价飙升而中途放弃，白白浪费了 30 亿美元。

不过，这样大型的对撞机项目，有的时候会产生技术溢出效应，出现粒子物理领域外的收益。比如，因为要供全球科学家交流信息，欧子核子研究中心诞生了 Web 时代的基础——万维网。因为要计算大量实验数据，该机构又发展出世界最大网格计算环境。

关键词： 粒子对撞机