作者 | Banks
翻译 | 尹有为
校对和翻译 | 杨令南
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欧洲核子研究中心主任 告诉《物理世界》，实验室正在筹划下一个超越大型强子对撞机的重大粒子物理实验。
欧洲核子研究中心的大型强子对撞机目前正在进行重大升级，升级后其亮度将提高十倍。
“与粒子物理学一样，欧洲核子研究中心正处于发展的十字路口，”迈克尔·班克斯写道。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机 (LHC) 自 2012 年被发现以来，一直在产生大量希格斯玻色子，但尚未发现任何超出标准模型的粒子，这让公众感到沮丧和困惑。LHC 目前已关闭，正在进行大规模升级的第一阶段，升级将使其亮度增加到原始设计的 10 倍以上。物理学家们希望，一旦对撞机在 2026 年再次启动并运行，将探测到大量新粒子。
然而，一些人认为，实现“新物理学”突破的最佳途径可能是对希格斯玻色子的精确研究，而这只能通过将电子撞击正电子来实现。这种碰撞比大型强子对撞机的质子-质子碰撞更精确，后者产生的碎片会影响测量的精度。鉴于粒子对撞机需要几十年才能启动和运行，粒子物理学家已经在规划一台电子-正电子对撞机，该对撞机将在 2030 年代中期大型强子对撞机最终关闭后启动。
其中一项领先的设计是国际直线对撞机 (ILC)，日本粒子物理学界最初对此表示了兴趣。然而，与这种规模的粒子物理项目一样，成本上升迫使设计人员将其运行能量减半，日本政府最近才对该项目表示出兴趣。欧洲核子研究中心有自己的线性电子-正电子对撞机 (称为紧凑型直线对撞机) 提案，其运行能量将高于 ILC。这些直线机器有一个很大的优势 - 它们产生的光度比圆形对撞机更高，在圆形对撞机中，电子在圆形轨道中运动时发射同步辐射会损失能量。
然而Fabiola物理学家，低于这个阈值时，环形对撞机的亮度更高。鉴于希格斯玻色子的质量只有 2.5 公里，环形机器可能是下一步，特别是因为粒子物理学家拥有数十年建造此类设备的经验，他们可以在一个环周围放置多个探测器。但环形对撞机最大的缺点是项目规模庞大。未来的 CERN 环形对撞机和中国的环形电子-正电子对撞机都设想了一个周长约 100 公里的大型地下储存环。即使隧道可以升级以容纳质子-质子对撞机，这些项目也非常昂贵。
欧洲粒子物理界正准备更新其未来战略，并确认首选设计。明年对于规划下一台对撞机至关重要。2019年2月，美国科学促进会2019年年会在华盛顿举行。美国科普作家理查德·布劳斯坦（ ）在会上采访了时任欧洲核子研究中心主任的法比奥拉·贾诺蒂（ ），以进一步了解粒子物理研究的现状。贾诺蒂任职第三年，将于2020年底上任。
：CERN 的生活
于1960年出生于罗马，1989年获得米兰大学实验粒子物理学博士学位。自1994年起，他在欧洲核子研究中心物理系担任物理研究员，在该中心从事许多实验，参与探测器的研发和建造、软件开发和数据分析。
2009年，她被任命为ATLAS实验的发言人留学之路，并与时任紧凑型μ子螺线管（CMS）探测器发言人的乔·因坎德拉（Joe ）（以漫画式的笔迹而闻名）于2012年7月4日在欧洲核子研究中心（CERN）研讨会上介绍了希格斯玻色子的研究成果。
2016 年 1 月 1 日，吉亚诺蒂接替罗尔夫·霍伊尔出任欧洲核子研究中心主任，成为首位担任该职位的女性。吉亚诺蒂将任职至 2020 年底。
问：从发现希格斯玻色子到现在已经快七年了，您能总结一下目前粒子物理学的发展状况吗？
“就粒子物理学而言，我们正生活在一个激动人心的时代。一方面，标准模型非常成功地描述了已知的基本粒子及其相互作用。随着2012年大型强子对撞机（LHC）发现最后一个‘缺失的拼图’希格斯玻色子，标准模型预测的所有粒子都已被发现。此外，在过去的几十年里，标准模型的预测已经通过欧洲核子研究中心和世界各地实验室的极其复杂的实验得到验证。另一方面，标准模型还不是粒子物理学领域的终极理论，因为它仍然无法解释一些现象，如暗物质、宇宙中物质对反物质的主导地位以及其他一些未解决的问题。所以，物理学绝对不局限于标准模型。”
问：这是因为大型强子对撞机（LHC）未能发现超出标准模型的粒子的证据吗？
希格斯玻色子的发现是一个里程碑事件。它改变了我们对基础物理学的理解，对粒子物理学和宇宙学等其他领域具有深远影响。我们面临的未解决问题需要新物理学，例如新粒子和新相互作用。我们还没有发现任何东西，但我们将继续探索。准确测量已知粒子及其相互作用与发现新粒子一样重要，可以提高我们目前的知识并发现新物理学的迹象。
问：您如何通过 LHC 项目解决这个问题？
“希格斯玻色子是标准模型中最难理解的部分，因为希格斯玻色子及其与其他粒子的相互作用会带来很多新问题。因此，我们需要利用现有和未来的设备提高精度，更详细地研究希格斯玻色子，这将是通往新物理学领域的大门。在大型强子对撞机项目中，我们在提高对希格斯玻色子的认识的同时，也在探索新粒子、新现象和新兴的物理学领域。”
欧洲核子研究中心最近公布了未来环形对撞机 (FCC) 的计划。考虑到其 250 亿美元的造价，这是一个好的前景吗？
“为了未来粒子物理研究的需要，我们目前确实在研究大型强子对撞机（LHC）以外的对撞机。我们现在有两个概念，一个是紧凑型线性对撞机（CLIC），产生的电子-正电子碰撞能量高达3TeV，可以用来研究希格斯玻色子和顶夸克。另一个是未来环形对撞机（FCC），这是一个周长100公里的环形对撞机，既可以作为电子-正电子对撞机，也可以作为质子-质子对撞机，产生的碰撞能量可达200。目前，两个项目都还处于设计研究阶段，尚未获得批准。欧洲粒子物理界正在研究更新欧洲粒子物理学的未来发展路线，预计明年初将在两个项目中做出选择。紧凑型线性对撞机（CLIC）和未来环形对撞机（FCC）都将分几个阶段实现，因此成本将 “这个过程需要几十年的时间。粒子物理学的历史发展表明，当我们推动技术进步时Fabiola物理学家，它将给社会带来巨大的利益，因此我们也应该能够降低项目的成本。”
问：未来的环形对撞机将如何增进我们对希格斯玻色子的理解？
“未来环形对撞机作为一台电子-正电子对撞机，将使我们能够以前所未有的精度测量希格斯玻色子耦合（希格斯玻色子与其他粒子相互作用的力）。未来环形对撞机作为一台质子-质子对撞机，将通过提供有关希格斯玻色子本身如何相互作用以及质量创造机制在宇宙历史的特定时刻如何运作的信息来补充这些研究。这两台机器将共同为我们提供有关这种特殊而神秘的粒子属性的最精确信息。”
欧洲核子研究中心成立的主要目标有两个：成为科学研究的卓越中心和促进欧洲国家之间的和平合作。
问：日本政府对国际直线对撞机（ILC）项目表示了兴趣，但尚未决定是否建造。如果日本政府最终决定推进该项目，CERN 是否会追随 ILC 项目的脚步建造下一个大型粒子物理机器？
“日本政府考虑建造直线电子-正电子对撞机，表明国际社会对希格斯玻色子这一基础物理研究的基本工具有着浓厚的兴趣。如果日本政府决定推进国际直线对撞机，他们将与国际社会，包括加拿大、欧洲、欧洲核子研究中心、美国和其他潜在合作伙伴，协商加强国际合作。在这种情况下，欧洲核子研究中心很可能会选择建造一个质子-质子环形对撞机来补充国际直线对撞机。”
问：如果日本政府决定建造国际直线对撞机，而中国政府也选择建造自己的100公里环形正负电子对撞机（CEPC），CERN是否会面临落后的风险？
“国际直线对撞机和环形正负电子对撞机都是正负电子对撞机，我们还需要质子-质子对撞机来产生新的重粒子，以便在能源领域和新物理研究上取得更大的突破。未来环形对撞机质子-质子对撞的碰撞能量可以达到大型强子对撞机（LHC）的10倍以上，这将大大提升新物理的研究潜力。”
问：您担任 CERN 主任的任期已过半。您对剩余的任期有什么计划？
“未来几个月，我们的主要目标将是更新《欧洲粒子物理战略》，该战略将于 2020 年 5 月完成。我们需要确定该领域最合适的发展重点，并开始为后 LHC 时代做准备。几十年来，加速器一直是我们在粒子物理领域发现的主要工具，未来它们仍将发挥重要作用。尚未解决的问题既紧迫又困难，无法通过任何单一工具解决。例如，我们还不知道寻找暗物质的最佳工具是什么。它可能是加速器，寻找星系晕中暗物质粒子的地下探测器，宇宙学测量实验，或其他东西。因此，我们必须充分利用科学界在过去几十年中开发的所有实验方法，加速器也将发挥其作用。”
问：粒子物理学领域的合作日益增多，有数千名科学家共同合作。您认为是否存在“群体思维”的风险？
“在基础物理领域，合作非常重要。CERN汇集了来自110多个国家的1.7万名物理学家、工程师和技术人员。合作是根本，因为我们从事的物理研究需要加速器、探测器、计算基础设施等多种设备，没有一个国家单独具备这些条件。我们需要集中、整合各国的人力、物力，尽最大努力取得成功。小项目、小课题固然可以取得重大科技突破，但不能发现希格斯玻色子、引力波、中微子振荡等重大科技成果。我们既需要重大科技项目，也需要小科研课题，这取决于我们要解决什么问题。”
问：CERN 的成立理念是科学外交。该中心如何在实验中传播这一理念？
“1954年CERN成立时，欧洲正从二战中恢复。CERN成立时怀揣着两大目标：打造卓越的科学研究中心和促进战后欧洲国家的和平合作。事实上，CERN在科学研究和全球合作方面已经远远超出了这两个目标。我相信，如果当初创立CERN的前辈们看到我们64年来所取得的成就，一定会感到自豪和骄傲。”CERN还把自己的价值观和理念传播到了位于约旦首都安曼附近的中东同步加速器光源实验科学与应用中心（MESC）。该中心采用与CERN类似的管理方式和相同的创始理念，即提供高质量的科学、发展实力和促进和平合作。该中心成为了CERN最好的衍生文化。”
问：科学外交在当今世界可以发挥什么作用？
“科学具有普世性和统一性，在当今分裂的世界中可以发挥主导作用。科学具有普世性，因为它基于客观事实而非主观意见，自然法则适用于所有国家。科学具有统一性，因为追求知识是全人类的共同愿望。因此，科学不分国籍、种族、政党和性别。
“当然，像 CERN 这样的组织无法平息地缘政治冲突。但它们可以打破障碍，让年轻一代在尊重和包容多样性的环境中成长。这样的组织是人类在差异中找到共同点时可以取得成就的完美典范。”
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▲本文为世界专栏第23篇文章。
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