中国是否应该建大型对撞机？就在我们再次讨论这个问题时，欧洲传来消息：欧洲粒子物理学界本周将在西班牙格拉纳达召开会议，其中一个重要议题就是新一代大型对撞机。
大型强子对撞机（LHC）宣布发现“上帝粒子”三年后，欧洲核子研究中心（CERN）开始思考这位“英雄”的升级版。
欧洲核子研究中心总干事 说：“我们至少需要 20 年的时间来设计和建造一台新的对撞机。”
20年听起来很长，但回顾LHC的诞生，我们就会发现这种说法并不夸张。
欧洲：转眼间二十八年过去了
在宁静的瑞法边境地下50至175米深处，有一条周长26.7公里的圆形隧道，里面就是举世闻名的LHC（大部分时间，对撞机内部熙熙攘攘）。2012年7月4日，欧洲核子研究中心宣布探测到标准模型中的“上帝粒子”——希格斯玻色子。此时，距离首次提出建造大型对撞机的想法，已经过去了28年。
成长的起伏
20世纪80年代，欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机（LEP）建成。这台对撞机呈环形，周长达到惊人的27公里，是人类迄今建造的最大正负电子加速器。从1989年投入运行到2000年停止运行，LEP的对撞能量从开始的约91GeV逐渐上升到峰值。
为了获得更高的碰撞能量，建造强子对撞机（质子-质子对撞）的计划被提上日程。1984年3月，CERN与欧洲未来加速器委员会（ICFA）在瑞士洛桑召开工作会议，LHC的概念在这次会议上首次得到官方认可。
三年后，LHC项目遇到了强劲的对手。1987年1月30日，美国政府批准了超导超大型加速器（SSC）项目。在美国科学家的规划中，SSC位于一个周长87公里的隧道内，可以粉碎质心能量为40TeV的粒子，比LHC强大得多。尽管该项目对LHC构成了极大威胁，但CERN仍努力保住了LHC项目。
原本前景光明的 SSC 项目进展并不顺利。随着建设的推进，预算从最初的 44 亿美元飙升至 110 亿美元。此外，SSC 还面临项目领导和管理结构等问题。最终，SSC 项目于 1993 年 10 月正式停止。至此，LHC 成为新一代高能粒子对撞机的唯一候选。此时，CERN 的科学家们正孜孜不倦地修改计划，以简化设计并降低成本。
1994年12月，CERN委员会批准建造LHC，并于次年10月正式公布了LHC项目概念设计报告。
在接下来的四年里，委员会批准了目前在 LHC 上运行的四项重要探测实验：紧凑型μ子螺线管（CMS）、先进环形仪器（ATLAS）、大型离子对撞机实验（ALICE）和 LHCb。委员会还同意日本和美国成为观察员国并加入 LHC 项目。
2008年9月10日，LHC首次启动测试，一切顺利。然而，9天后，用于冷却超导磁体的液氦发生严重泄漏。经过一年的维护，LHC才得以恢复运行。
2009年，LHC开始首次运行。2010年，ATLAS实验探测到LHC撞击质心能量首次达到7TeV，这让全球物理学家兴奋不已，期待新物理带来重大科学收获。
终于，2012年7月4日，ATLAS和CMS实验组同时宣布发现了“上帝粒子”——希格斯玻色子。找到“上帝粒子”是LHC项目的目标之一，如今他们终于如愿以偿。
（照片：金斯基）
未来环形对撞机
2019年初，LHC完成第二轮运行后不久，CERN便公布了建造新一代对撞机的想法，未来环形对撞机（FCC）项目应运而生。对于CERN来说，这恰恰是一个蓄谋已久的升级计划。
时任欧洲核子研究中心加速器与磁体技术部门主任的费德里科·布罗德里表示：“LHC还将经历两轮升级，并最终于2040年停止工作。从LHC的构思到最终完成，用了近25年的时间，所以现在是时候考虑LHC的继任者了。我们从2015年开始探索此事，今年提出的FCC是后LHC对撞机的可能选项之一。”
“相比大型强子对撞机27公里的圆形周长，FCC隧道的周长接近100公里。第一阶段将建造一台电子-正电子对撞机，随后是质子-质子对撞机。当然，也可以直接建造质子-质子对撞机。所有这些都需要通过欧洲粒子物理战略更新项目报告进一步讨论。”广义介绍道。
目前，CERN的技术团队一直在研发LHC后对撞机所需的各项技术，其中最关键的一项就是加速器磁体材料。据CERN技术部门大型磁体设备研究员阿诺德·德·弗里德介绍，他们目前已经发现了一种金属间化合物Nb3Sn。这种化合物虽然能在20T以上的磁场中运行，但其力学性能并不理想。如何解决这个问题是一个艰难的挑战。
除了技术条件，外界还一直在谈论FCC项目的巨额预算——不同设计的建设成本从90亿欧元到210亿欧元不等。对此，布罗德里认为，FCC项目是一个跨越20多年的全球合作项目，涉及很多工作，包括技术研发、建设项目等。此外，回顾过去的大型项目（包括LHC），也投入了巨额资金。结果，不仅收获了大量的研究成果，基础物理研究中的很多技术也被应用于现实社会。从长远来看，巨额的投入有望为社会带来丰厚的回报。
CERN对FCC项目充满信心，自2015年起，科学家们便开始研究，花了三年时间撰写了四卷FCC概念设计报告。FCC项目的优势在于，从LEP到LHC的建设经验丰富、研究成果多样，有全球科学家智慧开展进一步技术研发，也有与政府和组织、大学和研究机构的良好合作关系。当然，布罗德里表示，最终做出决定的过程可能相当漫长。
日本：学术界热情高涨，但政府却拖拖拉拉
除了中国和欧洲，日本也在推进自己的对撞机项目——国际直线对撞机（ILC）项目。这种对撞机为直线型，与环形对撞机（如LHC）相比有着独特的优势。
项目起源
环形加速器的设计会产生很大的能量损失。带电粒子在磁场中沿弧线运动时会产生电磁辐射，即同步辐射，其能量与束流能量的四次方成正比。这意味着在较高能量区，环形加速器的效率会大幅下降，对撞机的成本也会变得难以承受。
为了达到更高的能量水平，物理学家们把目光转向了直线加速器。直线加速器无法以圆形堆叠能量，因此通常更长；但与圆形加速器相比，其建造成本要便宜得多。
在欧洲建造LEP的同时，美国斯坦福线性加速器中心（SLAC）也建造了一台对撞机——斯坦福线性对撞机SLC（SLAC）。这是世界上第一台线性对撞机。SLC在1989年至1998年的运行中，取得了许多优异的成果，验证了线性碰撞的原理。这为国际线性对撞机（ILC）计划的提出奠定了基础。
ILC的诞生
当LEP和SLC还在满负荷运转的时候，物理学家们已在规划未来的高能直线对撞机，并提出了几种相互竞争的加速技术；随后的讨论也集中在控制成本的问题上。
2004年，国际专家组经过评估，决定在ILC上使用德国DESY实验室研发的超导技术。该技术曾在德国欧洲X射线自由电子激光器（E-XFEL）上进行过测试。E-XFEL采用768个超导铌腔，将电子加速到17.5GeV，某种程度上可以看作是ILC的雏形。
2005年，加州理工学院的巴里·巴里什（2017年诺贝尔物理学奖获得者）成为ILC项目的领导者。
在第一个实验设计中，ILC是一台20公里长的对撞机，运行能量为1 TeV；未来，加速器的隧道可以延长18.6公里，使能量提高到1 TeV。
2007年，科学家提出了新的参考方案，他们希望利用两台12公里长的直线加速器分别加速正电子和负电子，这一设计的成本约为67亿美元。
此前曾组织建造LHC的林恩·埃文斯于2013年出任ILC项目主任，全面负责ILC的设计工作。同年7月，五卷本的ILC设计报告发布，它将拥有31公里长的超导腔道，能将电子加速到。
日本粒子物理学会早在2011年就盯上了ILC项目，宣布将竞标ILC的承建权，候选地点包括九州和岩手。日本物理学会很快表示支持该计划，希望承建ILC，他们提供的潜在地点位于东京以北400公里的东北地区。最终，ILC委员会将地点定在了岩手县。
日本高能加速器研究机构（KEK）在2016年公布了长达12页的计划——科学家和工程师已经就位，日本科学家甚至邀请Hello Kitty来代表ILC，等待日本政府与其他国家展开共同建设ILC的谈判。
（来源：）
卡住
然而，政府在是否支持 ILC 的问题上一直犹豫不决。
2017年，物理学家们提出了一个替代方案。他们打算将ILC的能量降低到250 GeV——以研究125 GeV的希格斯玻色子；同时，隧道长度也缩短到20公里。在后续发展中，还有将能量提升到1 TeV左右的选项。
虽然希格斯玻色子是在大型强子对撞机（LHC）发现的贝语网校，但LHC的质子对撞会产生大量“碎片”，影响测量精度；电子和正电子属于基本粒子，它们的碰撞更加“干净”，这意味着ILC可以将精度提高到更高的水平。
负责监督 ILC 工作的国际未来加速器委员会（ for ，简称 FACC）已认可该计划。显然，这一紧缩计划意在提高 ILC 的可接受性，但预计成本仍高达 75 亿美元。
但去年，该计划遭遇挫折，日本学术会议独立委员会指出，国际连线中心没有得到足够的国际支持，其在科研之外的重要性“不明确”且“有限”。从这些角度来看，日本学术会议并不支持在日本建设国际连线中心。
鉴于欧洲粒子物理学家正在考虑建造新一代大型强子对撞机，并将于2020年发布相关报告，ILC委员会给日本政府设定了2019年3月的最终决定期限。今年3月7日，日本政府如约作出回应，但遗憾的是，日方并未承诺承建ILC。
日本政府在公开文件中表示，他们同意日本粒子物理学会的意见，认为ILC项目值得继续探索；但为了使该项目取得实质性进展，需要成功的国际谈判以及各国的技术和（特别是）资金支持。日本可以提供75亿美元总成本中的一半，其余部分将由美国、欧洲和加拿大等伙伴国家承担。
政府提出的另一个条件是，ILC需要得到日本科学界更广泛的支持。这意味着，只有完成必要的程序后，ILC才能被纳入文部科学省（MEXT）制定的下一代大型科学项目路线图中。2017年的路线图中就包括超级神冈中微子探测器和大型强子对撞机的亮度升级。
政府还表示，ILC 必须纳入 SCJ 大型项目总体规划中，该规划预计在今年 10 月才能最终完成。
在听到政府的声明后，国际未来加速器委员会主席杰弗里·泰勒在东京大学的新闻发布会上表示：“我们感到失望。”但他也肯定了日本政府的持续兴趣，并表示：“我们将等待政府承诺主办国际未来加速器大会。”
但牛津大学的布莱恩·福斯特 (Brian Furst) 是 ILC 全球设计工程的欧洲主管，他说：“很难相信日本政府会认真对待此事。这种拖延似乎是日本人说‘不’的典型方式。”他补充说，政府现在已将决策过程提交给 SCJ，而 SCJ 对 ILC 表现出了明显的热情不足。在启动仪式上，有人指出Fabiola物理学家，费用分摊谈判将由 KEK 粒子物理实验室的官员组织。但福斯特警告说，这是“浪费时间”。“谈判需要在更高层面上进行，”他补充道。
去哪儿？
虽然CERN的FCC项目和中国的环形正负电子对撞机（CEPC）都是环形对撞机，但ILC并非没有竞争对手。事实上，国际未来加速器委员会（ICFA）还有另一个竞争项目——CLIC。该项目由CERN牵头。与ILC相比，CLIC将提供更高的碰撞能量，最高可达3TeV左右。
从目前来看，日本政府的表态不会对CLIC造成大的影响；关注直线对撞机的物理学家们也不会因为讨论ILC而放弃CLIC。
牛津大学粒子物理学家、CLIC 发言人菲利普·伯罗斯 ( ) 认为，ILC 对日本来说是一扇“真正的机遇之窗”。“但它不会开放太久——人类必须继续前进，其他项目也在向前推进。”
“失望”的粒子物理学家约翰·埃利斯说，目前来看，欧洲的粒子物理战略规划必须在ILC被取消的假设下进行；正在讨论的其他计划，如CLIC、FCC和中国的环形正负电子对撞机（CEPC）Fabiola物理学家，可以“做类似的物理研究，为科学界铺平道路”。
中国：过去一年取得了哪些进展？
自2012年发现希格斯玻色子以来，中国高能物理界开始考虑建造自己的大型对撞机。2012年9月，中国科学家提出了建造下一代环形正负电子对撞机（CEPC）的计划，并在适当的时候将其改造成高能质子对撞机（SppC）。
但当国内民众谈起这个计划，首先想到的可能还是社交媒体上的热议。尽管一路上反对声不断，但CEPC团队始终没有停下前进的脚步。
2018年6月28日至30日，环形正负电子对撞机（CEPC）加速器概念设计报告国际评审会在中国科学院高能物理研究所召开。CEPC团队根据评审意见，对概念设计报告进行了修改并完成。
2018年11月14日，环形正负电子对撞机（CEPC）科研团队正式发布两卷CEPC概念设计报告（CDR），分别为《概念设计报告-加速器卷》和《概念设计报告-探测器与物理卷》。设计报告详细评估了CEPC相较于LHC的科学优势，其内容囊括了近6年来数千位科学家的研究成果。
“我祝贺 CEPC 在概念设计报告中取得的重要成果，这是基础研究大型科学设施发展的一个重要里程碑，”杰弗里·泰勒说。“毫无疑问，国际高能物理界非常渴望参与 CEPC 的发展和未来的科学实验，这将极大地促进对物质最基本组成部分的更深入理解。”
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显而易见，欧洲、日本和中国都将目光瞄准了大型对撞机领域，并为此做出了长期的努力。无论是CERN的FCC项目、CLIC项目，还是日本的ILC项目，还是中国的CEPE项目，物理学家们都希望通过对希格斯粒子等粒子的精准研究，打开“新物理”的大门，这是我们超越标准模型的机会。
虽然这四个项目处于竞争状态，但科学家们认为，无论哪一个（或者哪两个）最终实现，都将是一个全球性的合作项目，毕竟没有哪一方能够独自承担下一代大型对撞机的“费用”。
谁来决定大型强子对撞机的未来？答案可能不是欧洲、日本或中国，而是世界各地的科学家。
参考
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