世界到底需不需要新的巨型粒子對撞機？

2020-09-05 八戒科學

對於更大的粒子加速器，這不是正確的時機。

但是設在瑞士日內瓦的歐洲物理中心CERN卻有計劃，就是大計劃。世界上最大的粒子物理設施，目前正在運行世界上最大的粒子對撞機，已宣布其目標是製造更大的機器，這在今天的新聞發布會上發布。

因此，歐洲核子研究組織（CERN）決定要繼續進行「未來圓形對撞機（FCC）」計劃的第一步，該計劃將在一個100公裡（或略微超過60英裡）的環形隧道中進行。該機器最終可以達到100兆電子伏特的碰撞能量，約為當前運行的大型強子對撞機（LHC）的碰撞能量的六倍。通過達到前所未有的高能量，新的對撞機將允許對物質結構進行最深入的研究，並提供尋找新粒子的可能性。

尚不清楚能否實現完整的願景。

但是歐洲核子研究組織（CERN）宣布，該組織將FCC邁出第一步是「高度優先」的事情：為隧道找到合適的位置，並建造一臺以與LHC相似的能量碰撞電子和正電子的機器（但是在質子上使用質子）。僅在經過數年的研究和審議之後，CERN才決定繼續發展質子之間的高能碰撞。

第一步也被稱為「希格斯工廠」，因為它是專門設計用於生產大量希格斯玻色子的。希格斯玻色子（希格斯玻色子）是2012年在歐洲核子研究組織（CERN）上發現的，是粒子物理學標準模型中最後缺失的粒子。使用新機器，粒子物理學家希望更詳細地測量其性質以及一些先前發現的粒子的性質。（日本正在考慮建立一個與歐洲核子研究組織希格斯工廠相似目的的線性對撞機，但是致力於這一想法的委員會在去年的報告中沒有做出明確的決定。中國正在考慮一個圓形核對撞機，其範圍和大小與歐洲核子研究組織的整個FCC計劃相似。 ，但預計明年才能做出決定。）

但是歐洲核子研究組織的計劃如果得到充分執行，將耗資數百億美元。由於CERN提出的預算估算通常不包括運營成本，因此無法提供確切的數字。按照大型強子對撞機的運行成本計算，新對撞機的成本每年可能至少達到10億美元。對於可能運行20年或更長時間的設施，這與建築成本相當。

無疑，這些數字令人吃驚·。實際上，粒子對撞機是目前最昂貴的物理實驗。它們的價格甚至比第二昂貴的實驗衛星望遠鏡還要高很多。

成本如此之高的主要原因是，自1990年代以來，對撞機技術僅進行了逐步改進。結果，當今獲得更高能量的唯一方法是建造更大的機器。純粹的物理尺寸（長隧道，需要填滿許多磁鐵以及完成這項工作所需的所有人）使粒子對撞機變得如此昂貴。

但是，儘管這些對撞機的成本激增，但它們的相關性卻下降了。當物理學家在1940年代開始建造對撞機時，他們還沒有完整的基本粒子清單，他們知道這一點。新的測量方法帶來了新的難題，並且他們建立了更大的對撞機，直到2012年圖片完成為止。標準模型仍然有一些鬆散的末端，但是通過實驗測試這些末端所需要的能量至少要比FCC所測試的能量高出一百億倍。因此，目前對於下一個更大的對撞機的科學案例還很小。

當然，下一個更大的對撞機可能會取得突破性的發現。例如，一些物理學家希望它能提供有關暗物質或暗能量性質的線索。

是的，可以希望。但是，沒有理由說明構成暗物質或暗能量的顆粒應該出現在新設備的能量範圍內。那就是假設它們是開始時沒有任何證據的粒子。此外，即使它們是粒子，高能碰撞也不是尋找它們的最佳方法。例如，具有微小質量的弱相互作用粒子並不是大型對撞機所追求的。

而且有完全不同類型的實驗可以以更低的成本取得突破，例如在低能量下進行高精度測量或增加處於量子態的物體的質量。擁有更高的能量並不是在物理學基礎上取得進步的唯一途徑；而是要獲得更高的能量。這只是最昂貴的一個。

在這種情況下，粒子物理學家應集中精力開發新技術，以使對撞機重新回到合理的價格範圍內，並阻止挖掘更多的隧道。地平線上最有前途的技術是新型的「喚醒場」加速，它可以顯著減小加速粒子所需的距離，從而縮小對撞機的大小。另一個改變遊戲規則的技術是室溫超導體，它可以使對撞機所依賴的強磁體變得更加高效和經濟。

研究這些新技術也是歐洲核子研究組織的重點之一。但是，正如策略更新所揭示的那樣，粒子物理學家還沒有意識到他們的新現實。建立更大的粒子對撞機已經步入正軌。如今，它幾乎沒有科學的投資回報率，而且幾乎沒有社會意義。大型科學項目通常會使教育和基礎設施受益，但這並非特定於粒子對撞機。如果這些副作用是我們真正感興趣的，那麼我們至少應該將錢投入與社會相關的科學研究。

例如，為什麼為什麼我們還沒有國際氣候預測中心呢？按照目前的估計，這將使整個十年的成本「僅」達到10億美元？與粒子物理學相比，這是花生，但更為重要。還是為什麼最近您可能想知道，我們沒有流行病建模中心？

這是因為在慣性的基礎上分配了過多的科學經費。在過去的一個世紀中，粒子物理學已經發展成為一個龐大的，非常有影響力且相互聯繫的社區。他們將儘可能地繼續建造更大的粒子對撞機，這僅僅是因為無論是否有意義，這都是粒子物理學家所做的。

現在是時候了，社會應該採取一種更加開明的方式來資助大型科學項目，而不是繼續向以前曾資助過的人們捐款。比測量希格斯玻色子質量的下一位數字要困難得多。

來源：科學美國人

作者：薩賓·霍森菲爾德（Sabine Hossenfelder）

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