2020歐洲粒子物理學戰略敲定

《2020歐洲粒子物理學戰略》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，開展項目可行性研究并改善環境的可持續性。

2020年6月，歐洲核子研究中心（CERN）理事會全票通過了《2020歐洲粒子物理學戰略》。新戰略把建造正負電子對撞機和未來環形對撞機（FCC）作為最高優先事項。歐洲粒子物理學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預計造價為210億歐元。作為第一步，FCC隧道和基礎設施可以當作一個希格斯工廠。

新戰略指出，在謀劃建造未來對撞機的同時，歐洲粒子物理學界應繼續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施（LBNF）及相關的深層地下中微子實驗（DUNE）。

該戰略展望，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和相關技術的“持續的科技領先地位”。為了實現這一戰略目標，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方案中快速做出決策。此外，FCC的可行性研究應在7年內完成，以便在下一次戰略更新之前及時提出可靠的建議。2020版新戰略是對最初的2006版戰略的第二次更新。

在歷時兩年的戰略制定過程中，成千上萬的科學家做出了貢獻。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家和一名政府代表組成。以色列特拉維夫大學的哈利娜·阿布拉莫維奇（Halina Abramowicz）主持了新戰略的決策過程。她表示：“希望我們的建議能夠推動這些想法向前發展。”

周長100千米的未來環形對撞機將從日內瓦湖下面穿過。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推進的可行性研究，是《2020歐洲粒子物理學戰略》的一個最高優先事項

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。”這就是為什么《2020歐洲粒子物理學戰略》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生更復雜的混亂。

2012年，粒子物理學家首次在大型強子對撞機上觀測到希格斯粒子。盡管理論物理學家此前已經預言了希格斯粒子的存在，但并未確定其質量。至于下一步要尋找什么粒子，粒子物理學界處于迷茫中，理論有很多，卻沒有清晰明確的預測。英國利物浦大學的馬克斯·克萊因（Max Klein）負責協調CERN的電子-強子對撞機的發展，他坦言：“我們沒有可靠的理論指導，這就需要一個經過權衡的折中項目，我們也許應該對項目將來可能取得的發現做出更少的承諾。探索自然界，尋找解決粒子物理學持久難題的答案，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。”

2020年1月，數十名粒子物理學家在德國巴特洪內夫舉行會議，敲定了《2020歐洲粒子物理學戰略》的細節。哈利娜·阿布拉莫維奇（前排中間）是該戰略組組長。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。”她正領導著當前的斯諾馬斯研究，該研究將一直持續到2021年底，將提供美國同行對于《2020歐洲粒子物理學戰略》的意見。

在希格斯工廠的四個候選項目中，最長遠的設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醞釀了大約20年。ILC將在20千米長的隧道中產生250 GeV的質心碰撞，估計造價為50億～60億美元，其中不包括人力成本。可以通過延長隧道長度，或者也許可以通過升級到加速梯度更大的新加速器技術，來提高能量。新戰略文件稱，如果ILC快速實現，歐洲粒子物理學界“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，將是對粒子物理學界的一個極大利好。”

日本高能加速器研究機構（KEK）執行董事岡田康弘（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日發表的關于ILC的聲明，也能促使日本繼續推進該項目。

2020年夏天，ILC開始了最終的工程設計工作。同時，岡田希望日本文部科學省“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運行時間重疊的優勢，高亮度LHC預計在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，將電子和正電子加速到以380 GeV的能量碰撞，并且設計能量能擴展到3 TeV。貝思克表示，盡管新戰略沒有支持CLIC，但是如果100千米的 FCC最終“以失敗告終”，那么可以復活CLIC項目。

希格斯工廠的其他候選項目都是環形對撞機。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100千米環形正負電子對撞機（CEPC），以后同樣也可以轉變為強子對撞機。同步輻射限制了環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見能量范圍都約為90～350 GeV。在這樣的能量下，環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，FCC-ee仍然值得建造。“它們可以互補，”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。“有了FCC-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計數據，來研究味對稱性是否守恒。”但是考慮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家認為，如果ILC項目繼續推進，那么，歐洲應該直接去建造一個純粹的未來環形強子對撞機。

能量邊界

荷蘭拉德堡德大學的西耶布蘭特·德容（Sijbrand de Jong）指出，歐洲粒子物理學界的最終目標是建造一個產生強子碰撞的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。可能性很多，但并非一切可能性最終都可以變成現實。”

在CERN建造FCC將需要經過其在日內瓦湖下面的100千米隧道。確定地質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，因此，當地公眾能否接受至關重要。環境問題，例如分離出的污物置于何處，也很重要。

戰略協調員、荷語布魯塞爾自由大學的約根·東特（Jorgen D’Hondt）認為：“最大的問題就是能耗。”他指出，一個希格斯工廠的能耗將是當前大型強子對撞機的三倍。“問題制造者，也應該成為問題解決者。我們需要開發更好的替代技術以減少能耗。”此外，他補充說，對于來自加速器以及冷卻和計算系統的廢熱，應該更有效地加以再利用。

技術上的主要障礙是生產16 T的超導磁體（幾乎是現有LHC磁體強度的兩倍），從而操縱和聚焦循環加速的質子。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線材。到目前為止，已經準備在高亮度LHC中測試11 T磁體，并且科學家已經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。”科學家同時也在研究高溫超導磁體。

最后，在歐洲粒子物理學界建議向前推進FCC項目之前，必須與忠誠的合作伙伴一起制定穩健的財務計劃。“FCC將遠遠超出CERN的預算，”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。”

如果中國繼續推進建造一個與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貢獻和科學參與，還需要其他地區的財政資助。”

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，如果中國繼續推進其希格斯工廠，將改變歐洲的計劃。“全球范圍內出現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戰略的重新評估”。

《2020歐洲粒子物理學戰略》建議粒子物理學界繼續研究替代性的加速技術。東特說：“我們對FCC項目已經下定決心，但為謹慎起見，我們將繼續調研其他可選項目。”主要是渺子對撞機、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，這個備選項目現在正在全世界重新引起關注。東特說，μ子碰撞的優點是“用10～15 TeV的μ子碰撞，可獲得堪比100 TeV的質子碰撞的物理現象。”他解釋說，μ子碰撞的困難在于其壽命短。“必須立即將它們集結成束并使其碰撞。”此外，高強度、高能量的μ子束會在波動中產生中微子和其他粒子，這些粒子與原子相互作用產生強子簇射，可能對實驗設備和人體造成危害。

在等離子體尾波場加速中，一束入射激光或其他驅動光束使電離氣體中的電子沿著驅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。要在實現高能量的同時實現高亮度是一個挑戰，我們還沒做好充分的準備。”

考德威爾很高興新戰略提到了等離子體尾波場和其他替代性加速技術，并且認可中微子物理學、暗物質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略的前沿和核心。并非研究對撞機的粒子物理學家可能感到被排斥在外。”考德威爾繼續談道，“從我的口味來說，這個新戰略是保守的。這個戰略的實現將需要數十年的時間，它足以吸引下一代科學家的想象力嗎？是否足夠大膽，能在未來50年甚至更長時間里，持續得到粒子物理學界的關注和聚焦？”

可持續發展與社會

《2020歐洲粒子物理學戰略》的第一條是關于環境和社會影響的聲明。“大型對撞機消耗巨大的能量，我們想考慮如何循環利用能源，”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境污染的液體。”戰略文件鼓勵減少出行，還說：“任何一個重大項目的審批程序，都應包括對環境影響最小化和對能源的節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）也是戰略協調員之一，他指出，新戰略的目標至少要綿延到2080年。這就是新戰略著重強調加速器的研發和相關教育推動的原因。新戰略呼吁粒子物理學家“與教育工作者和有關當局合作，探索將基本粒子及其相互作用的基礎知識納入學校常規課程中，”德容指出，“人們對物質結構的了解，不應該僅僅停留在質子這個層面，而應該更深入一層。粒子物理學是主流文化的一部分，觸及各種社會問題，包括核能、聚變能、醫療診斷和治療工具，這些都與人們的日常生活息息相關。”

更直接的問題是新冠肺炎疫情是否以及如何影響新戰略的實施。CERN的年度預算約13億瑞士法郎來自成員國，并且通過法律協定予以確定。到目前為止，預算經費看起來很穩定。里夫金感到，新冠肺炎大流行和隨之而來的經濟困境令人擔憂。“我們希望成員國認識到粒子物理學和科學對人類發展技術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，提出未來前沿研究的想法。”對較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