2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略敲定

《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》的目標之一是選擇一個希格斯工廠，對加速器和探測器進行研發(fā)，開展項目可行性研究并改善環(huán)境的可持續(xù)性。

2020年6月，歐洲核子研究中心（CERN）理事會全票通過了《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》。新戰(zhàn)略把建造正負電子對撞機和未來環(huán)形對撞機（FCC）作為最高優(yōu)先事項。歐洲粒子物理學(xué)界志在建造一個用于精細研究希格斯玻色子的正負電子對撞機，并計劃確定100 TeV強子對撞機（即“FCC”）的可行性——FCC預(yù)計造價為210億歐元。作為第一步，F(xiàn)CC隧道和基礎(chǔ)設(shè)施可以當作一個希格斯工廠。

新戰(zhàn)略指出，在謀劃建造未來對撞機的同時，歐洲粒子物理學(xué)界應(yīng)繼續(xù)推進既定的研究計劃。其中最重要的是把CERN的大型強子對撞機（LHC）升級為“高亮度LHC”，以及支持并參與日本和美國的中微子項目——尤其是長基線中微子設(shè)施（LBNF）及相關(guān)的深層地下中微子實驗（DUNE）。

該戰(zhàn)略展望，歐洲與世界各地的伙伴攜手合作，同時確保其在基于加速器的粒子物理學(xué)和相關(guān)技術(shù)的“持續(xù)的科技領(lǐng)先地位”。為了實現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標，真正建成可運行的對撞機，而不是紙上談兵，就必須從四種可能的希格斯工廠建設(shè)方案中快速做出決策。此外，F(xiàn)CC的可行性研究應(yīng)在7年內(nèi)完成，以便在下一次戰(zhàn)略更新之前及時提出可靠的建議。2020版新戰(zhàn)略是對最初的2006版戰(zhàn)略的第二次更新。

在歷時兩年的戰(zhàn)略制定過程中，成千上萬的科學(xué)家做出了貢獻。CERN理事會成員、德國馬克斯·普朗克物理研究所的齊格弗里德·貝思克（Siegfried Bethke）透露，“新戰(zhàn)略的批準過程很敏感，我們對每個逗號都進行了討論”。CERN理事會由23個成員國每國各派一名科學(xué)家和一名政府代表組成。以色列特拉維夫大學(xué)的哈利娜·阿布拉莫維奇（Halina Abramowicz）主持了新戰(zhàn)略的決策過程。她表示：“希望我們的建議能夠推動這些想法向前發(fā)展。”

周長100千米的未來環(huán)形對撞機將從日內(nèi)瓦湖下面穿過。項目將從建造正負電子對撞機起步，而后升級為100 TeV強子對撞機。對于該項目是否繼續(xù)推進的可行性研究，是《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》的一個最高優(yōu)先事項

希格斯工廠哪家強？

阿布拉莫維奇認為：“要尋找超標準模型新物理，顯而易見的著手之處是對希格斯玻色子的專心研究，因為它會耦合到所有事物?！边@就是為什么《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》的第一個建議就是建造希格斯工廠，因為希格斯工廠只涉及基本粒子之間的凈碰撞，而不會像強子碰撞那樣產(chǎn)生更復(fù)雜的混亂。

2012年，粒子物理學(xué)家首次在大型強子對撞機上觀測到希格斯粒子。盡管理論物理學(xué)家此前已經(jīng)預(yù)言了希格斯粒子的存在，但并未確定其質(zhì)量。至于下一步要尋找什么粒子，粒子物理學(xué)界處于迷茫中，理論有很多，卻沒有清晰明確的預(yù)測。英國利物浦大學(xué)的馬克斯·克萊因（Max Klein）負責協(xié)調(diào)CERN的電子-強子對撞機的發(fā)展，他坦言：“我們沒有可靠的理論指導(dǎo)，這就需要一個經(jīng)過權(quán)衡的折中項目，我們也許應(yīng)該對項目將來可能取得的發(fā)現(xiàn)做出更少的承諾。探索自然界，尋找解決粒子物理學(xué)持久難題的答案，都需要提高粒子碰撞過程的能量、亮度以及碰撞方法的多樣性?！?/p>

2020年1月，數(shù)十名粒子物理學(xué)家在德國巴特洪內(nèi)夫舉行會議，敲定了《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》的細節(jié)。哈利娜·阿布拉莫維奇（前排中間）是該戰(zhàn)略組組長。站在阿布拉莫維奇身后的是CERN總干事法比奧拉·吉亞諾蒂和CERN理事會主席烏蘇拉·巴斯勒

美國芝加哥大學(xué)的金英琪（Young-Kee Kim）指出：“我們需要比標準模型更完整的一種新的物理理論?！彼I(lǐng)導(dǎo)著當前的斯諾馬斯研究，該研究將一直持續(xù)到2021年底，將提供美國同行對于《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》的意見。

在希格斯工廠的四個候選項目中，最長遠的設(shè)計是擬在日本建造的國際直線對撞機（ILC），這個項目的想法已經(jīng)醞釀了大約20年。ILC將在20千米長的隧道中產(chǎn)生250 GeV的質(zhì)心碰撞，估計造價為50億～60億美元，其中不包括人力成本?？梢酝ㄟ^延長隧道長度，或者也許可以通過升級到加速梯度更大的新加速器技術(shù)，來提高能量。新戰(zhàn)略文件稱，如果ILC快速實現(xiàn)，歐洲粒子物理學(xué)界“將希望與ILC項目開展合作”。阿布拉莫維奇指出：“如果日本將該項目推向前進，將是對粒子物理學(xué)界的一個極大利好?！?/p>

日本高能加速器研究機構(gòu)（KEK）執(zhí)行董事岡田康弘（Yasuhiro Okada）表示，日本“歡迎歐洲伸出的橄欖枝”，并且日本在繼續(xù)推進似乎停滯不前的ILC方面“可以有所作為”。該項目不僅需要日本，還需要歐洲、美國和其他合作伙伴的財政和人力支持。岡田指出，國際未來加速器委員會（ICFA）于2020年2月22日發(fā)表的關(guān)于ILC的聲明，也能促使日本繼續(xù)推進該項目。

2020年夏天，ILC開始了最終的工程設(shè)計工作。同時，岡田希望日本文部科學(xué)省“加強與其他國家的研討”。他說，ILC有望在21世紀30年代中期開始運行。這將具有與高亮度LHC運行時間重疊的優(yōu)勢，高亮度LHC預(yù)計在2027年開始運行直到下一個十年末。

希格斯工廠的另一個選擇是緊湊型直線對撞機（CLIC），這是CERN的一個長期項目。使用CLIC，可以在相對較短的11 千米距離內(nèi)，將電子和正電子加速到以380 GeV的能量碰撞，并且設(shè)計能量能擴展到3 TeV。貝思克表示，盡管新戰(zhàn)略沒有支持CLIC，但是如果100千米的 FCC最終“以失敗告終”，那么可以復(fù)活CLIC項目。

希格斯工廠的其他候選項目都是環(huán)形對撞機。CERN正考慮就在未來將建造FCC強子對撞機的那同一條100千米長的隧道中，建造一個正負電子對撞機FCC-ee。中國也有類似的提議，即100千米環(huán)形正負電子對撞機（CEPC），以后同樣也可以轉(zhuǎn)變?yōu)閺娮訉ψ矙C。同步輻射限制了環(huán)形加速器的能量范圍，中國和歐洲這兩個對撞機的正負電子對撞的可預(yù)見能量范圍都約為90～350 GeV。在這樣的能量下，環(huán)形對撞機的亮度要比直線對撞機更高，并且可以容納多個探測器。

即使ILC向前推進，F(xiàn)CC-ee仍然值得建造?！八鼈兛梢曰パa，”阿布拉莫維奇指出。ILC可以更早啟動運行，如果能量擴展到500 GeV，就能研究希格斯自耦合?！坝辛薋CC-ee，我們可以降低能量，對其他的標準模型耦合進行極其精確的測量，”她說，“而且，我們可以獲得大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，來研究味對稱性是否守恒?！钡强紤]到所涉及的巨大成本，克萊因指出，建造兩個正負電子對撞機是有問題的，而且許多粒子物理學(xué)家認為，如果ILC項目繼續(xù)推進，那么，歐洲應(yīng)該直接去建造一個純粹的未來環(huán)形強子對撞機。

能量邊界

荷蘭拉德堡德大學(xué)的西耶布蘭特·德容（Sijbrand de Jong）指出，歐洲粒子物理學(xué)界的最終目標是建造一個產(chǎn)生強子碰撞的FCC，“通過擴展能量邊界，我們進入人類從未探索過的一個能量范圍。為了說服其他人，我們必須提出更切實的目標，才能爭取到資助?？赡苄院芏?，但并非一切可能性最終都可以變成現(xiàn)實?！?/p>

在CERN建造FCC將需要經(jīng)過其在日內(nèi)瓦湖下面的100千米隧道。確定地質(zhì)條件是否合適以及能否獲得許可，是可行性研究的一部分。該項目還將從私人用地下面穿過，而且包括地上豎井和一個地面電網(wǎng)，因此，當?shù)毓娔芊窠邮苤陵P(guān)重要。環(huán)境問題，例如分離出的污物置于何處，也很重要。

戰(zhàn)略協(xié)調(diào)員、荷語布魯塞爾自由大學(xué)的約根·東特（Jorgen D’Hondt）認為：“最大的問題就是能耗?！彼赋?，一個希格斯工廠的能耗將是當前大型強子對撞機的三倍?！皢栴}制造者，也應(yīng)該成為問題解決者。我們需要開發(fā)更好的替代技術(shù)以減少能耗?！贝送猓a充說，對于來自加速器以及冷卻和計算系統(tǒng)的廢熱，應(yīng)該更有效地加以再利用。

技術(shù)上的主要障礙是生產(chǎn)16 T的超導(dǎo)磁體（幾乎是現(xiàn)有LHC磁體強度的兩倍），從而操縱和聚焦循環(huán)加速的質(zhì)子。目前正在使用鈮錫進行實驗，但是這種材料的脆性使其難以制成制造電磁體所需的超導(dǎo)線材。到目前為止，已經(jīng)準備在高亮度LHC中測試11 T磁體，并且科學(xué)家已經(jīng)獲得了更強韌的演示磁體。貝思克說：“我們估計制造出16～20 T的鈮-錫磁體需要20～25年?！笨茖W(xué)家同時也在研究高溫超導(dǎo)磁體。

最后，在歐洲粒子物理學(xué)界建議向前推進FCC項目之前，必須與忠誠的合作伙伴一起制定穩(wěn)健的財務(wù)計劃?！癋CC將遠遠超出CERN的預(yù)算，”貝思克提醒，“我們將需要成員國以及日本、美國、俄羅斯和其他國家的大量額外資助?！?/p>

如果中國繼續(xù)推進建造一個與FCC類似的對撞機，我們將很難證明建造FCC的合理性。CEPC國際咨詢委員會委員、芝加哥大學(xué)的金英琪認為，“CEPC即使對中國來說，也將是一個雄心勃勃的大項目，可能是中國引以為傲的項目”。CEPC是中國十四五規(guī)劃中可能會考慮立項資助的幾個大型國際項目之一。金英琪指出：“該項目要取得成功，需要國際社會的重大技術(shù)貢獻和科學(xué)參與，還需要其他地區(qū)的財政資助。”

中美之間日益緊張的局勢，可能使兩國都會參與的新項目的實施變得困難重重。但是，東特認為，如果中國繼續(xù)推進其希格斯工廠，將改變歐洲的計劃?！叭蚍秶鷥?nèi)出現(xiàn)任何一個新的對撞機項目，都會引起我們對歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略的重新評估”。

《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》建議粒子物理學(xué)界繼續(xù)研究替代性的加速技術(shù)。東特說：“我們對FCC項目已經(jīng)下定決心，但為謹慎起見，我們將繼續(xù)調(diào)研其他可選項目?！敝饕敲熳訉ψ矙C、等離子體尾波場加速器和CLIC，這三種都被廣泛認為是可以在更遙遠的將來采用的方法，或是在FCC倘若失敗的情況下備選的方法。

美國粒子物理學(xué)界曾考慮過μ子對撞機，在2014年又放棄了這一方案。但是，這個備選項目現(xiàn)在正在全世界重新引起關(guān)注。東特說，μ子碰撞的優(yōu)點是“用10～15 TeV的μ子碰撞，可獲得堪比100 TeV的質(zhì)子碰撞的物理現(xiàn)象?！彼忉屨f，μ子碰撞的困難在于其壽命短?！氨仨毩⒓磳⑺鼈兗Y(jié)成束并使其碰撞?！贝送?，高強度、高能量的μ子束會在波動中產(chǎn)生中微子和其他粒子，這些粒子與原子相互作用產(chǎn)生強子簇射，可能對實驗設(shè)備和人體造成危害。

在等離子體尾波場加速中，一束入射激光或其他驅(qū)動光束使電離氣體中的電子沿著驅(qū)動光束的橫向場振蕩。被捕獲的電荷形成“波浪”，以接近光速的速度運動。注入“波浪”中的粒子會受到一個強大的加速場作用。馬克斯·普朗克物理研究所的艾倫·考德威爾（Allen Caldwell）指出：“強電場對加速很有用，但正電子的加速看起來仍然很困難。要在實現(xiàn)高能量的同時實現(xiàn)高亮度是一個挑戰(zhàn)，我們還沒做好充分的準備?！?/p>

考德威爾很高興新戰(zhàn)略提到了等離子體尾波場和其他替代性加速技術(shù)，并且認可中微子物理學(xué)、暗物質(zhì)搜尋和其他研究方向的重要性。他表示，盡管如此，“大型對撞機仍然是該戰(zhàn)略的前沿和核心。并非研究對撞機的粒子物理學(xué)家可能感到被排斥在外?！笨嫉峦柪^續(xù)談道，“從我的口味來說，這個新戰(zhàn)略是保守的。這個戰(zhàn)略的實現(xiàn)將需要數(shù)十年的時間，它足以吸引下一代科學(xué)家的想象力嗎？是否足夠大膽，能在未來50年甚至更長時間里，持續(xù)得到粒子物理學(xué)界的關(guān)注和聚焦？”

可持續(xù)發(fā)展與社會

《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》的第一條是關(guān)于環(huán)境和社會影響的聲明?！按笮蛯ψ矙C消耗巨大的能量，我們想考慮如何循環(huán)利用能源，”阿布拉莫維奇表示，“我們使用對地球有害的氣體，并且希望避免使用如果泄漏會造成環(huán)境污染的液體?！睉?zhàn)略文件鼓勵減少出行，還說：“任何一個重大項目的審批程序，都應(yīng)包括對環(huán)境影響最小化和對能源的節(jié)約再利用的詳細計劃。”

瑞士保羅謝勒研究所的萊昂尼德·里夫金（Leonid Rivkin）也是戰(zhàn)略協(xié)調(diào)員之一，他指出，新戰(zhàn)略的目標至少要綿延到2080年。這就是新戰(zhàn)略著重強調(diào)加速器的研發(fā)和相關(guān)教育推動的原因。新戰(zhàn)略呼吁粒子物理學(xué)家“與教育工作者和有關(guān)當局合作，探索將基本粒子及其相互作用的基礎(chǔ)知識納入學(xué)校常規(guī)課程中，”德容指出，“人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解，不應(yīng)該僅僅停留在質(zhì)子這個層面，而應(yīng)該更深入一層。粒子物理學(xué)是主流文化的一部分，觸及各種社會問題，包括核能、聚變能、醫(yī)療診斷和治療工具，這些都與人們的日常生活息息相關(guān)?！?/p>

更直接的問題是新冠肺炎疫情是否以及如何影響新戰(zhàn)略的實施。CERN的年度預(yù)算約13億瑞士法郎來自成員國，并且通過法律協(xié)定予以確定。到目前為止，預(yù)算經(jīng)費看起來很穩(wěn)定。里夫金感到，新冠肺炎大流行和隨之而來的經(jīng)濟困境令人擔憂?！拔覀兿Ｍ蓡T國認識到粒子物理學(xué)和科學(xué)對人類發(fā)展技術(shù)和解決社會問題的重要性。我們激勵聰明的年輕人敢于挑戰(zhàn)，提出未來前沿研究的想法?！睂^小的國家實驗室進行資助也很重要，他補充道，“求木之長者，必固其根本。根之不固，則何來大樹蒼天哉？”

資料來源 Physics Today