未來環(huán)形對撞機(jī)的效果圖新浪科技訊 北京時(shí)間2月26日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，歐洲核子研究中心(CERN)于近日公布了建造一個(gè)新型加速器的構(gòu)想，
未來環(huán)形對撞機(jī)的效果圖
2月26日，據(jù)國外媒體報(bào)道，歐洲核子研究中心(CERN)于近日公布了建造一個(gè)新型加速器的構(gòu)想，其長度將是大型強(qiáng)子對撞機(jī)(Large Hadron Collider，簡稱LHC)的4倍，能量更是LHC的6倍。作為目前世界上最大的對撞機(jī)，LHC的長度為27公里。
在1月15日公布的技術(shù)報(bào)告中，位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心描述了該計(jì)劃的藍(lán)圖。
這份文件給出了建造“未來環(huán)形對撞機(jī)”(Future Circular Collider，簡稱FCC)的幾個(gè)初步設(shè)計(jì)。建造完成之后，未來環(huán)形對撞機(jī)將成為有史以來最強(qiáng)大的粒子粉碎機(jī)，不同設(shè)計(jì)方案的建造成本從90億歐元到210億歐元不等。這也是歐洲核子研究中心在“歐洲粒子物理戰(zhàn)略更新”(European Strategy for Particle Physics Update)中的一個(gè)公開招標(biāo)項(xiàng)目。歐洲粒子物理戰(zhàn)略更新于2006年發(fā)布，在2013年進(jìn)行了首次更新，確定了4個(gè)最高優(yōu)先級的領(lǐng)域，其中就包括新型加速器項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研究。未來兩年內(nèi)，歐洲粒子物理戰(zhàn)略更新將逐步推進(jìn)，預(yù)計(jì)將對粒子物理學(xué)領(lǐng)域到本世紀(jì)下半葉的未來發(fā)展產(chǎn)生重要影響。
作為戰(zhàn)略更新計(jì)劃物理預(yù)備組實(shí)驗(yàn)室的代表，CERN理論部門負(fù)責(zé)人吉安·弗朗切斯科·朱迪切(Gian Francesco Giudice)說：“這是一次巨大的跨越，就像計(jì)劃一場跳過火星，直接前往天王星的旅行。”
自從2012年歷史性地發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子之后，大型強(qiáng)子對撞機(jī)還未發(fā)現(xiàn)任何新的粒子。朱迪切表示，這意味著我們需要盡可能地提高對撞機(jī)的能量。他說：“今天，為了在最基礎(chǔ)水平上破解大自然的奧秘，我們最大的希望是通過這類大膽計(jì)劃去探索盡可能高的能量。”
以色列特拉維夫大學(xué)的物理學(xué)家哈麗娜·阿布拉莫維奇(Halina Abramowicz)表示，像未來環(huán)形對撞機(jī)這樣的機(jī)器具有“非常令人激動(dòng)”的潛力。作為歐洲戰(zhàn)略更新計(jì)劃的負(fù)責(zé)人，她補(bǔ)充道，未來環(huán)形對撞機(jī)的潛力將作為更新計(jì)劃的一部分進(jìn)行深入討論，并與其他擬議項(xiàng)目進(jìn)行比較。
屆時(shí)，歐洲核子研究中心理事會(huì)(包括來自各成員國的科學(xué)家和政府代表)將就是否為未來環(huán)形對撞機(jī)項(xiàng)目提供資助做出最終決定。
未來環(huán)形對撞機(jī)項(xiàng)目的主要愿景包括在現(xiàn)有LHC隧道(藍(lán)色)旁邊挖掘一條100公里長的隧道(紅色)
太燒錢？
并不是所有人都認(rèn)為超級對撞機(jī)是一項(xiàng)好的投資。“沒有任何理由認(rèn)為，這種對撞機(jī)所達(dá)到的能量狀態(tài)就一定能帶來新的物理學(xué)突破，”德國法蘭克福高等研究院的理論物理學(xué)家薩賓·霍森菲爾德(Sabine Hossenfelder)說，“這是所有人心中的噩夢，但都不愿意說出來。”
霍森菲爾德表示，將該項(xiàng)目所需的龐大資金用于其他類型的大型設(shè)施，可能會(huì)帶來更大的回報(bào)。她舉例說，在月球背面建造一臺(tái)大型射電望遠(yuǎn)鏡，或者在空間軌道上放置一臺(tái)引力波探測儀，在科學(xué)收益方面都可能比對撞機(jī)更加安全的投資。
領(lǐng)導(dǎo)未來環(huán)形對撞機(jī)研究的CERN物理學(xué)家邁克爾·貝內(nèi)迪克特(Michael Benedikt)表示，無論預(yù)期的科學(xué)成果如何，建造一臺(tái)超級對撞機(jī)都是有價(jià)值的。他說：“這類最大規(guī)模的嘗試和項(xiàng)目，都將極大地促進(jìn)學(xué)術(shù)合作，連接世界各地的研究機(jī)構(gòu)。所有這些都是推動(dòng)這類獨(dú)特科學(xué)項(xiàng)目的極好論據(jù)。”
然而，霍森菲爾德表示，其他大型科學(xué)項(xiàng)目也可以套用類似的論點(diǎn)。
其他的選項(xiàng)
根據(jù)歐洲核子研究中心的報(bào)告，未來環(huán)形對撞機(jī)的研究始于2014年，共有超過1300名參與者，其資金來源是歐盟委員會(huì)的“地平線2020”(Horizon 2020)研究資助計(jì)劃。該研究描繪的主要愿景包括在現(xiàn)有LHC隧道旁邊挖掘一條100公里長的隧道。CERN表示，該隧道以及地表相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建造成本約為50億歐元。
在這樣一條隧道之內(nèi)，耗資達(dá)40億歐元的對撞機(jī)將可以粉碎電子及其對應(yīng)的反物質(zhì)(正電子)，過程中所用的能量可高達(dá)365GeV(吉電子伏特)。通過這些碰撞，研究人員可以在比質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī)(如LHC)更高的精度下研究已知粒子，如希格斯玻色子。該研究計(jì)劃預(yù)計(jì)于2040年左右啟動(dòng)，屆時(shí)LHC及其目前尚在計(jì)劃中的升級版本將完成使命。
長期以來，物理學(xué)家一直計(jì)劃在LHC完成使命后建造一臺(tái)國際直線對撞機(jī)(International Linear Collider，簡稱ILC)。這臺(tái)對撞機(jī)也可以粉碎電子和正電子。日本科學(xué)家在2012年開始積極爭取國際直線對撞機(jī)項(xiàng)目。但是，由于LHC一直未能發(fā)現(xiàn)任何意料之外的現(xiàn)象，從而削弱了建造直線對撞機(jī)的必要性。這是因?yàn)閲H直線對撞機(jī)所能達(dá)到的能量只足以研究希格斯玻色子，而無法用于發(fā)現(xiàn)可能存在于更高能量的任何新粒子——CERN計(jì)劃的新對撞機(jī)的目標(biāo)。日本政府將于3月7日決定是否主持國際直線對撞機(jī)的建造。
在CERN報(bào)告中提到的另一個(gè)選項(xiàng)是耗資150億歐元、長度約100公里的質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī)(又稱為強(qiáng)子對撞機(jī))。這臺(tái)對撞機(jī)將建在與LHC同一條隧道內(nèi)，能夠達(dá)到10萬GeV的能量——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過LHC的最高能量值(16000GeV)。不過，更可能的情況是首先建造電子-正電子對撞機(jī)，到21世紀(jì)50年代后期再建造質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī)。無論是哪種選項(xiàng)，更高能量的對撞機(jī)都將尋找全新的粒子，而這些粒子可能比已知的粒子更大，因而需要更高的能量才能產(chǎn)生。
強(qiáng)子對撞機(jī)的長度將只比超導(dǎo)超級對撞機(jī)(Superconducting Super Collider，簡稱SSC)長15%。20世紀(jì)90年代，位于美國德克薩斯州的超導(dǎo)超級對撞機(jī)工程因成本原因夭折，當(dāng)時(shí)已經(jīng)挖掘了22.5公里的隧道。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是用于控制質(zhì)子在隧道中改變軌跡的磁鐵技術(shù)獲得突破，計(jì)劃中的強(qiáng)子對撞機(jī)有望能以超導(dǎo)超級對撞機(jī)兩倍以上的能量運(yùn)行。
當(dāng)然，物理學(xué)家還有更多的研究和開發(fā)工作要做，這也是先建造低能量對撞機(jī)的原因之一。“如果我們明天就能準(zhǔn)備好一條100公里長的隧道，那我們就可以馬上建造一臺(tái)電子-正電子對撞機(jī)，因?yàn)樗璧募夹g(shù)已經(jīng)存在，”朱迪切說，“但是，對于一臺(tái)100TeV對撞機(jī)所需的磁鐵，還需要進(jìn)行更多的研發(fā)工作。”(任天)
