20世紀(jì)中后期以來，科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要特征是大科學(xué)裝置的出現(xiàn)。在此背景下，大型對撞機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。然而，因其規(guī)模大、建設(shè)周期長、投資巨大，到底是否要建，各國掂量再三。

美國：放棄“燒錢”競爭

美國超導(dǎo)超級(jí)加速器（SSC）建設(shè)項(xiàng)目在上世紀(jì)的“夭折”，是美國科學(xué)史上的傷心往事，不少高能物理研究人員提起此事都嘆息連連。美國從大型對撞機(jī)競爭中“出局”，此后也未就開建新一代大型對撞機(jī)有新規(guī)劃。

在SSC項(xiàng)目選址地得克薩斯州愛麗絲，已建成的22.5公里的地下隧道被棄。美國物理學(xué)會(huì)會(huì)士韓濤對記者說：“宣布終止SSC讓高能物理研究的中心從美國移到歐洲。”

SSC對撞能量達(dá)40TeV（萬億電子伏特）。然而該項(xiàng)目經(jīng)過幾年建設(shè)，在完成了約20%、花掉了20億美元后于1993年被美國國會(huì)取消。當(dāng)年美國物理學(xué)界分為兩派，反對建設(shè)方主要擔(dān)心對撞機(jī)擠占其他基礎(chǔ)科學(xué)研究經(jīng)費(fèi)，影響力最大的聲音來自諾貝爾獎(jiǎng)得主菲利普·安德森。

菲利普·安德森曾在接受記者采訪時(shí)說：“我認(rèn)為反對建設(shè)超級(jí)對撞機(jī)終究還是對的?！彼J(rèn)為，粒子物理學(xué)家太執(zhí)著于高能量對撞這個(gè)代價(jià)極大的單一研究方式，而忽略了其他重要的實(shí)驗(yàn)事實(shí)（比如暗能量、丟失零點(diǎn)能、暗物質(zhì)等問題）比追逐高能量還有意義。

如今，美國最高能量的對撞機(jī)是始建于1983年的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的加速器Tevatron，對撞能量為1.96TeV。美國更寄望通過中微子研究揭示“標(biāo)準(zhǔn)模型”外的秘密。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃耗資10億美元建造長基線中微子設(shè)施，于2026年向不同探測器發(fā)射中微子束，成為世界中微子研究的領(lǐng)導(dǎo)者。

歐洲：謹(jǐn)慎決定未來方向

歐洲擁有全球最大、能量最高的粒子加速器——大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC），其質(zhì)子對撞能量為14TeV，軌道長度27公里，有來自30多個(gè)國家的超過2000名物理學(xué)家參與。研究者所屬的大學(xué)與實(shí)驗(yàn)室共同出資興建這一耗資約80億美元的“大家伙”。LHC所在的瑞士日內(nèi)瓦與法國交界地區(qū)已發(fā)展為一座匯聚全球研究者的科學(xué)中心，有100多位中國研究者在那里工作。

2012年，科學(xué)家宣布利用LHC發(fā)現(xiàn)了被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子，完成了粒子物理所謂的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。然而，LHC目前已經(jīng)達(dá)到其設(shè)計(jì)能量，要進(jìn)一步尋找新粒子，需建設(shè)能量和精度更高的機(jī)器。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2018年12月3日，LHC二期運(yùn)行結(jié)束，進(jìn)入第二次長停機(jī)階段，進(jìn)行大規(guī)模升級(jí)，無數(shù)科學(xué)家迫切期待“王者”早日歸來。

據(jù)2019年12月17日消息，歐洲核子研究中心（CERN）管理層12日向理事會(huì)提交的新日程表顯示，LHC將于2021年5月重啟，并一直運(yùn)行到2024年底。2025年將再開啟新一輪升級(jí)，直到“高亮度LHC”于2027年“閃亮登場”。繼任者“高亮度LHC”將比LHC產(chǎn)生更多碰撞，預(yù)計(jì)在整個(gè)運(yùn)行期間積累的數(shù)據(jù)量將超過LHC的10倍。

2019年1月15日，在中國完成大型環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)（CEPC）概念設(shè)計(jì)報(bào)告兩個(gè)月后，CERN也公布了 “ 未來環(huán)形對撞機(jī) ”（FCC）的概念設(shè)計(jì)報(bào)告，提出投巨資分兩步建設(shè)下一代超級(jí)對撞機(jī)，計(jì)劃在本世紀(jì)50年代完成建設(shè)。根據(jù)新報(bào)告，F(xiàn)CC將成為LHC的繼任者。

CERN加速器和技術(shù)總監(jiān)弗雷德里克·博爾德里說，F(xiàn)CC的最終目標(biāo)是提供一個(gè)100公里長的環(huán)形超導(dǎo)質(zhì)子加速器，其能量可達(dá)100TeV，比現(xiàn)有的大型強(qiáng)子對撞機(jī)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

根據(jù)這份報(bào)告，F(xiàn)CC的建設(shè)將分兩步進(jìn)行。第一步是投入90億歐元，完成100公里的隧道建設(shè)，并建設(shè)一個(gè)大型的正負(fù)電子對撞機(jī)，預(yù)計(jì)這一步工作可在2040年前后完成;第二步是再投入150億歐元，完成超導(dǎo)質(zhì)子加速器的建設(shè)，預(yù)計(jì)能在本世紀(jì)50年代后期投入使用。

該中心表示，F(xiàn)CC構(gòu)想如能實(shí)現(xiàn)，將以前所未有的能量讓基本粒子碰撞，能用于精確研究希格斯粒子之間如何相互作用，還有助于探索暗物質(zhì)、反物質(zhì)等。

日本：注重“經(jīng)濟(jì)實(shí)用”

日本已經(jīng)完成了下一代大型對撞機(jī)的初步工程設(shè)計(jì)，并得到美國能源部和CERN的支持。與歐洲不同，日本選擇建設(shè)更加“經(jīng)濟(jì)實(shí)用”的直線對撞機(jī)。

日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)（KEK）岡田安弘接受新華社專訪時(shí)介紹，日本研究界一直在向政府建議由日本主導(dǎo)國際直線對撞機(jī)（ILC）計(jì)劃。

岡田安弘說，ILC將在總長約31公里的地下隧道開展正負(fù)電子對撞，雖然對撞能量僅為1TeV，卻可更好地分析對撞后新粒子特性，在精密測定希格斯粒子、探尋新物理方面的能力遠(yuǎn)超LHC，還可在發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子方面加強(qiáng)同LHC的互補(bǔ)性研究。

ILC擬由日本國內(nèi)外的物理學(xué)家擔(dān)綱進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，由日美歐分擔(dān)費(fèi)用，打算在2025年前后動(dòng)工，力爭在本世紀(jì)30年代中期開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

預(yù)計(jì)ILC建設(shè)費(fèi)用為8000億日元左右，日本分擔(dān)3000多億日元。由于擔(dān)心對財(cái)政造成沉重負(fù)擔(dān)，日本政府表示“需要謹(jǐn)慎地研究”，沒有正式?jīng)Q定在日本建設(shè)。

一些研究者認(rèn)為，目前謹(jǐn)慎的日本、歐洲和尚無計(jì)劃的美國會(huì)給中國建設(shè)大型對撞機(jī)帶來難得的“窗口期”，中國的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和科技決策機(jī)制在推行大科學(xué)項(xiàng)目上更具優(yōu)勢;但反對者認(rèn)為中國并不具備歐洲多年的技術(shù)積累、人員合作基礎(chǔ)和完備的配套基礎(chǔ)設(shè)施，也沒有日本的“差異化”競爭策略。

◎ 來源|綜合自科技日報(bào)、上觀新聞