210亿欧元！欧洲计划建100公里长超级对撞机，中国要跟吗？

2020 年 7 月 5 日 学术头条

在当今物理学界，量子力学可以说处于举足轻重的地位。

作为一门研究微观世界的学科，量子力学主要研究粒子的各种特性，比如自旋，动量等运动信息的领域。而科研不仅仅需要捕获自然粒子，更重要地是制造出可控的粒子形式，利用大量的实验来检验某些理论。

20 世纪 40 年代，物理学家开始建造粒子对撞机。 在粒子碰撞的实验中，我们可以寻找理论预测的新粒子 ，比如希格斯玻色子，还可以研究粒子之间的变化规律。

可以说人类研究微观世界最得力的工具就是对撞机。而为了在量子力学研究中取得更高突破、发现更多粒子，各国研究组织都在不断建造更大的对撞机来获取答案。

据 Nature 和 Science 6 月 19 日报道，位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究组织（CERN）计划建造一个 100 公里长的环形超级对撞机，可以达到 1 T电子伏特（tera-electron-volts）的碰撞能量，大约是目前运行的大型强子对撞机（LHC）的 6 倍，以推动高能物理学的前沿发展。

值得一提的是，该项目预计耗资至少 210 亿欧元（约 240 亿美元）。

CERN的超级对撞机构想

2012 年，质子破坏大型强子对撞机爆炸出希格斯玻色子，这是物理学家标准模型预测的最后一个粒子，也是解释所有其他基本粒子如何获得质量的关键。到此为止，对撞机找到了所有的基本粒子。

实际上，CERN 作为世界上最大的粒子物理学研究机构，已经运行着一台全球最大的粒子对撞机——27 公里长的大型强子对撞机，但显然，CERN 并不满足于现状。

为了能够更详细地测量希格斯玻色子的性质，以及一些先前发现的粒子的性质，6 月 19 日，CERN 理事会批准了未来环形对撞机（FCC）的建造计划。根据同日发布的文件《欧洲粒子物理战略 2020 更新》，CERN 将该建造计划大概分为两个阶段：

首先，为环形隧道选取适合的地点（暂定于 CERN 所在地附近的地下隧道），建造一个和 LHC 质子碰撞能量级别类似的电子-正电子对撞机，其目的是对碰撞能量进行调整，以最大程度地产生希格斯玻色子，并使物理学家能够详细了解其性质。

而后，到了本世纪下半叶，电子-正电子对撞机将被拆除，重新建造一台功率更大的质子-质子粉碎机。它的 目标是寻找新的粒子或自然力，并扩展或替换当前的粒子物理学标准模型。

然而，由于巨大的物理尺寸——长长的隧道，填充它的大量磁铁，以及所有需要完成这项工作的人，这一超级对撞机建造计划所需的资金注定攀升。文件指出，超级对撞机的建造预算约为 210 亿欧元，约 240 亿美元。

此外，考虑到项目的预算估计通常不包括操作费用，因此具体数目可能更大。按照 LHC 的目前的运行成本计算，新的对撞机每年成本可能至少为 10 亿美元。也就是说，一旦 FCC 成功建造起来，除了巨额的建造费用，其 20 年的运行成本可能还需花费 200 多亿美元。

因此，在 CERN 开始建造新机器之前，它将不得不寻求从成员国收到的正常预算之外的新资金。物理学家莱韦林·史密斯（Llewellyn Smith）说，欧洲以外的国家，包括美国、中国和日本，可能需要加入 CERN，以组建一个新的全球性组织。

这么贵，值得吗？

实际上，中国的物理学家也有类似的计划，他们认为建造大型环形对撞机是高能物理学研究的重大突破点。

因此，谈及 CERN 的 FCC 建造计划， 中国科学院高能物理研究所（IHEP）负责人王贻芳持绝对肯定的态度 。他说：“我认为这当然是正确的方向。欧洲核子研究组织的决定恰恰证实了我们的选择是正确的。”

在 2012 年大型强子对撞机发现希格斯玻色子后，王贻芳曾率先提出要研制一种中国电子-正电子对撞机的提议。该提议也包括了与 CERN 建造计划类似的阶段：按照大型强子对撞机的模式，建造大型电子正电子对撞机，并在第二阶段容纳质子对撞机。

然而， 著名物理学家杨振宁则持反对意见。 他认为，如果中国此时投入 300 亿建设粒子对撞机，是不划算的规划。因为在上个世纪后半叶，西方已经用对撞机把高能物理探索完了，他用“盛宴已过”表达了高能物理的基础研究进度。

而对于 CERN 此次的超级对撞机项目，德国法兰克福高等研究院的理论物理学家萨宾·霍森费尔德（Sabine Hossenfelder）则持批评态度。他认为，FCC 的建造，除了能够测量已知粒子的性质之外，其科学回报还无法保证。

霍森费尔德说：“我仍然认为这不是一个好主意。我们正在谈论数百亿美元。 我只是认为现在进行此类研究的科学潜力不足。 ”

CERN 理事会主席 Ursula Bassler 在闭幕会议上则表示，“大多数任务是遥遥无期的，现在摆在我们面前的，就是如何把这一战略变为现实。”

参考资料：
https://www.nature.com/articles/d41586-020-01866-9
https://www.sciencemag.org/news/2020/06/european-physicists-boldly-take-small-step-toward-100-kilometer-long-atom-smasher