CERN
1.
在法国和瑞士边界，有一个不寻常的地方。在那片土地的地下深处，运行着世界上最大（周长27公里）、能量最高的环形粒子加速器——大型强子对撞机（LHC）。
原子是我们所熟悉的，它由原子核和电子组成。氢原子是最简单的原子，由一个电子和一个质子组成。在电场中，氢原子中的电子很容易被剥离，只留下质子。
LHC中的主角，正是被留下来的质子。科学家的目标是要让大量的质子进行对撞，它们之间的碰撞次数越多，也就越有机会观测到罕见的事件！
但在对撞之前，质子会被加速到接近光的速度。电磁和磁场是粒子加速器的关键：由于质子带有正电荷，因此它们会在电场中加速，并在磁场的引导下绕着环形的隧道加速前进。
在LHC于2008年正式投入运行以来，短短的几年间，就发现了早在1960年代就被预言的上帝粒子——希格斯玻色子！
○ 在LHC的两个实验中产生的希格斯是玻色子候选事件。| 图片来源：CMS/ATLAS/CERN
2.
希格斯玻色子的发现是粒子物理学标准模型最伟大的胜利。但更令人兴奋但是，它的发现为研究开辟了一条新的道路，因为希格斯玻色子很可能会指引我们找到新物理（即超越标准模型的理论）。因此，物理学家迫切的想要进一步理解希格斯玻色子的本质。
同时，物理学中的许多终极奥秘仍对我们保持其神秘的姿态：什么是暗物质？为什么宇宙是由物质，而不是反物质组成的？……要解答这些问题，我们需要更大的突破。
1月15日，未来环形对撞机（Future Circular Collider，FCC）团队公布了一个全新的粒子加速器的概念设计报告，这一计划足以让LHC黯然失色。一旦获得批准，它将成为LHC的继任者，帮助物理学家寻找那些最大谜团的答案。
FCC的选址仍是日内瓦，就在LHC的旁边。这一次，他们计划将绕着日内瓦和周围的乡村，在地底下建造一条长为100公里的环形隧道。届时，一旁的LHC将会像高速公路上的交流道那样，将加速过的粒子送入这个能量更强的新对撞机中。这样一来，粒子能以在LHC中7倍的能量进行对撞，这样的撞击所能创造出的粒子将完全超出LHC的能量所及范围——使粒子物理学进入一个尚未被探索过的微观领域。
○ LHC和FCC的大小比较。| 图片来源：CERN
3.
建成后的FCC绝非一个简单的粒子加速器。它可分为不同的阶段以进行不同的实验。第一阶段的设想是让它成为一台让电子与它的反物质——正电子——对撞的机器。
根据现有理论，所有的粒子都有其对应的反物质，它们的性质几乎完全一样，只是带有相反的电荷。当物质和反物质粒子相遇时，它们会湮灭，所有的能量都转化成为新的粒子。
○ 当物质和反物质相遇时，会发生湮灭，所有的能量都会以光子的形式释放。| 图片来源：RealLifeLore/YouTube
在FCC这样的对撞机中，研究人员可以非常精准地控制对撞时的能量。LHC是一台质子对撞加速器，相比之下，FCC里的电子-正电子对撞更加“干净”、清晰得多。这是因为质子与电子不同，它们并不是基本粒子，而是由更小的夸克和胶子组成的。因此当质子发生对撞时，它们内部的这些结构会被喷得到处都是，这大大增加了在对撞残骸中发现新粒子的难度。
○ FCC。| 图片来源：CERN
电子-正电子对撞机的主要目标是研究希格斯玻色子。希格斯玻色子与其他基本粒子的质量起源有关，而新的对撞机将能够产生数以百万计的希格斯玻色子，从而能使科研人员对其性质进行前所未有的细致测量，这对找到新的发现至关重要。
尤其诱人的是，希格斯粒子可以充当一个通道，连接着我们所在的普通原子物质世界和一个隐藏着的粒子世界。在宇宙中，85%的物质是“暗的”、由我们无法看见的粒子组成的。我们之所以知道它的存在，是因为它对周围的物质所施加的引力。令人兴奋的是，电子-正电子对撞机或许能揭示希格斯玻色子衰变成这些隐藏的粒子。
在第二阶段，对撞机将进入质子-质子对撞，其对撞能量可高达100万亿电子伏特，它可以制造出大量让物理学家怀疑存在、但又无法通过LHC产生的新粒子。
而且，它几乎能对大多数形式的暗物质可能所处的能量范围进行全面探索。不仅如此，它还能探测宇宙在大爆炸后的万亿分之一秒内所处的条件，这是宇宙历史上的一个重要时刻，因为就在那时，希格斯场（一种无处不在的能量场，希格斯玻色子就是其中的一个小小涟漪）会坍缩成现在的状态，而这种状态正是使得基本粒子产生质量的原因。
理解希格斯场是如何获得当前能量的是物理学中最为突出的问题之一，因为它似乎必须经过精细到难以置信的微调，才能使得原子（以及后来的恒星、行星和人类……）得以存在。
4.
按照计划，新的对撞机的第一阶段将会在LHC的最后一次升级之后投入运行，时间预计是2040年代。而第二阶段运行的质子对撞机，将于2050年代开始安装。这两个项目都需花费高昂的资金：根据目前的估算，正-负电子对撞机将需要90亿欧元，更强大的质子对撞机则需要150亿欧元。这引发了不小的反对声音 ，这是可以理解的。很多人认为如此大量的资金应被更好地用于其他更加紧迫的领域，例如应对气候变化等等。
约翰·沃默斯利（John Womersley）是参与了FCC计划的资深物理学家，他表示，除了基础知识自身的价值，FCC也能带来一些重大的短期利益。他说：“FCC将推动创新技术的发展以解决新的挑战。万维网、Wi-Fi和核磁共振成像仪中的超导磁体，都曾是为了满足基础物理学的需要而开发的。”可以相信，这个项目所蕴藏的潜能是巨大的。
然而，要实现这样一个雄心勃勃的计划，还必须要有数十个国家提供资金与技术上的合作。目前，已经有来自世界各地的150所大学、研究机构和工业伙伴的1300多名参与者加入了这一计划。与此同时，我国的环形正负电子对撞机（Circular Electron Positron Collider, CEPC）研究工作组在2018年11月也发布了概念设计报告。这是一个与FCC类似的对撞机项目。
FCC的支持者们希望该项目能在2020年出版的《欧洲粒子物理学新战略》中得到采纳。一旦它得到认可，他们就将开始一个漫长的研究和发展过程；并且需要说服各国政府和公众，告诉他们——在对撞机上进行的那些基础研究，是值得投入如此巨大的资金的。
可以预见的是，这一项目在各个方面都将面临巨大的挑战，但物理学家想要更深入地探索和理解宇宙的决心，是绝不会退缩的。
编译：二宗主
参考来源：
联系客服
