在探尋“上帝粒子”和暗物質(zhì)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(zhàn)略》。該戰(zhàn)略決定，未來最高優(yōu)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(xiàng)決策，計(jì)劃建造一臺耗資 210 億歐元的高能物理實(shí)驗(yàn)機(jī)器——未來環(huán)形對撞機(jī)(Future Circular Collider，F(xiàn)CC)。

這是一項(xiàng)長期計(jì)劃。2013 年《歐洲粒子物理戰(zhàn)略》更新時(shí)，就開始進(jìn)行概念設(shè)計(jì)研究，打算建造一臺比 LHC 能量更高的環(huán)形對撞機(jī)。

LHC 全稱“大型強(qiáng)子對撞機(jī)”(Large Hadron Collider)，是目前規(guī)模最大的粒子物理實(shí)驗(yàn)機(jī)器，F(xiàn)CC 正是 LHC 的繼任者。

2012 年，科學(xué)家們通過 LHC 上的對撞實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了希格斯玻色子存在，補(bǔ)上粒子物理學(xué)“標(biāo)準(zhǔn)模型”中最后一塊也是最重要的 “拼圖”。

“標(biāo)準(zhǔn)模型”是微觀現(xiàn)象的物理學(xué)基本理論，它被用于解釋物質(zhì)世界的基本構(gòu)成及其相互作用。

這個(gè)理論認(rèn)為，希格斯玻色子是“質(zhì)量之源”。其他粒子通過和希格斯玻色子相互作用，才能產(chǎn)生質(zhì)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(gè)廣為人知的稱號：“上帝粒子”。

從 20 世紀(jì) 60 年代“標(biāo)準(zhǔn)模型”被提出，到 2012 年希格斯玻色子被捕獲，花費(fèi)了 50 年時(shí)間。在這半個(gè)世紀(jì)里，立下汗馬功勞的，除了粒子科學(xué)家們，還有造價(jià)動(dòng)輒上十億百億的高能粒子加速器。

能量更高的對撞機(jī)，意味著什么?

大型對撞機(jī)其實(shí)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(jì)算機(jī)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(xué)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(biāo)粒子上。

兩顆粒子碰撞后，會發(fā)出新粒子，這就是科學(xué)家們要觀測的事物。這個(gè)過程就好比，把兩個(gè)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(fā)明，這種設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)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(jià) 25 美金，從設(shè)計(jì)到建成不足 1 年。而 LHC，周長 27 千米，造價(jià)超過 50 億瑞士法郎，從提出設(shè)想到成功實(shí)驗(yàn)，歷時(shí) 25 年。

變化如此之大的背后，都是為了實(shí)現(xiàn)更高的碰撞能量。對粒子物理實(shí)驗(yàn)而言，如果想看到更小的物質(zhì)，就必須用更快速度去碰撞，以產(chǎn)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(jì)算，并且還經(jīng)過多次升級，得以讓粒子物理實(shí)驗(yàn)有所突破。

2011 年底，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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(zhǔn)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(jìn)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(jī)升級，2021 年 5 月重啟后，對撞能量將達(dá) 14 萬億電子伏特。

2025 年最后一次停機(jī)，直至 2027 年升級為“高亮度 LHC”。雖然對撞能量沒有提升，但能產(chǎn)生更多碰撞，積累數(shù)據(jù)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(gè)更大的實(shí)驗(yàn)機(jī)器。

捕獲“上帝粒子”之后

捕獲希格斯玻色子后，“標(biāo)準(zhǔn)模型”完整了，但科學(xué)家們的工作沒有停止。不管是理論還是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，都表明這不是物質(zhì)原理的終點(diǎn)。

“標(biāo)準(zhǔn)模型”能涵蓋宇宙大爆炸后許多物理過程和現(xiàn)象，但卻無法解釋暗物質(zhì)、暗能量以及物質(zhì)和反物質(zhì)不平衡的問題。補(bǔ)充“標(biāo)準(zhǔn)模型”漏洞的“超對稱理論”，可以解釋暗物質(zhì)、暗能量，但其預(yù)言的超對稱粒子，至今沒有找到。

諸多還沒解開的物理謎團(tuán)，需要新物理來解釋。而精準(zhǔn)測量“標(biāo)準(zhǔn)模型”的核心——希格斯玻色子，被認(rèn)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(zhì)測量至 1% 的精度，需要可以產(chǎn)生 100 萬億電子伏特能量的設(shè)備。

因此，就誕生了 FCC 這樣更加龐大的對撞機(jī)計(jì)劃。FCC 全長 100 千米，被安置在一個(gè)環(huán)形隧道里，約 6 倍于正在運(yùn)行的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(Large Hadron Collider，簡稱 LHC)。按 CERN 的規(guī)劃，這個(gè)項(xiàng)目將坐落在瑞士和法國接壤區(qū)域。

在下圖中，橙色粗虛線即 FCC，左上角藍(lán)色實(shí)現(xiàn)為 LHC，其周長 27 千米，是目前碰撞能量最大的粒子對撞機(jī)。

這個(gè)項(xiàng)目實(shí)際上分兩步，第一步是建造一臺高亮度的正負(fù)電子對撞機(jī)，碰撞能量與 LHC 級別類似。第二步是終極目標(biāo)，打造碰撞能量為 100 萬億電子伏特的質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī)。

正負(fù)電子對撞機(jī)擁有極高的信噪比，可在極高精度下對希格斯玻色子進(jìn)行測量，因此又被稱為“希格斯工廠”，專門用于產(chǎn)生大量的“上帝粒子”，進(jìn)而探究其性質(zhì)。中國倡議的環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)(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(gè)核心的爭議：投入產(chǎn)出比。

歐洲的 FCC 預(yù)估造價(jià) 210 億歐元，中國的 CEPC 造價(jià) 400 億元，之后的質(zhì)子對撞機(jī)(SppC)，造價(jià) 1000 億元。這些費(fèi)用通常會由國際社會共同承擔(dān)，以中國 CEPC 和 SppC 為例，國際貢獻(xiàn) 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(jī)的長遠(yuǎn)目標(biāo)，是為了探尋“標(biāo)準(zhǔn)模型”之外的新物理，但沒有證據(jù)表明，暗物質(zhì)粒子和超對稱粒子會出現(xiàn)在新設(shè)備的能量范圍里。

理論物理學(xué)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(gè)猜想，沒有任何實(shí)驗(yàn)根據(jù)，希望用極大對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)此猜想中的粒子，更只是猜想加猜想”。美國曾經(jīng)也有一個(gè)這樣的項(xiàng)目，叫超導(dǎo)超級對撞機(jī)(SSC)，因?yàn)樵靸r(jià)飆升而中途放棄，白白浪費(fèi)了 30 億美元。

不過，這樣大型的對撞機(jī)項(xiàng)目，有的時(shí)候會產(chǎn)生技術(shù)溢出效應(yīng)，出現(xiàn)粒子物理領(lǐng)域外的收益。比如，因?yàn)橐┤蚩茖W(xué)家交流信息，歐子核子研究中心誕生了 Web 時(shí)代的基礎(chǔ)——萬維網(wǎng)。因?yàn)橐?jì)算大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該機(jī)構(gòu)又發(fā)展出世界最大網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境。