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9 通往未来的一扇门（第3页）

中国立即对这一倡议做出了反应，中国计划大力进军高能物理领域，向世界展示了自己。

这个亚洲巨人提出了一个两阶段项目。建造一个50km的环，这将容纳一个240GeV的正负电子对撞机（CEPC：环形正负电子对撞机），然后升级为一个能在质量中心产生50~90GeV碰撞的质子加速器（SPPC：超级质子—质子对撞机）。

第一阶段允许对希格斯粒子进行精确研究。为了降低成本，电子和正电子在一个环内运行，这限制了可以注入的数据包的最大数量。因此，它的亮度并没有被推到最大，但仍然是线性对撞机的2~3倍，这使得环形正负电子对撞机在这类研究中是一个非常有竞争力的机器。所需要的技术并不是很先进，它是大型正负电子对撞机已经完成工作的一种发展，并且将利用近年来在加速谐振腔领域所取得的成果。该机器可以立即建造，秦皇岛地区已经被提议作为一个地点，它是一处靠近大海的山区，距离北京300km，“被称为中国的托斯卡纳地区。”在中国挖掘一条50或70km长的隧道比在欧洲和美国成本少得多，而且，中国似乎有意愿承担其中的很大一部分成本。一个现实的估计：预计全球花费约30亿美元，建设时间为6~8年。如果环形正负电子对撞机建设工程在2020年开始，新的加速器将在2028年开始运行。

该项目的第二阶段，即超级质子-质子对撞机，更加不确定和复杂。与此同时，比大型强子对撞机更强大的磁铁必须进行工业规模生产，技术仍有待开发。超级质子-质子有两种选择：12T磁体，可达到50TeV，或19T磁体，可达到90TeV。不管怎样，被发现的可能性都是巨大的。即使其潜力的充分开发受到最大亮度值（不会超过LHC的标称值）的限制，超级质子-质子将允许探索一个比大型强子对撞机大4~7倍的能量区域。有关必要技术的许多不确定性使得估算该项目的成本变得困难，而它的时间跨度可能超过2035年。

西方面临的风险：欧洲和美国

欧洲对加速器物理学未来的战略非常明确。首先，大型强子对撞机的全部发现潜力仍有待开发。事实上，新能源领域的探索刚刚开始。该加速器于2015年恢复运行，能量达到创纪录的13TeV，预计在未来几年将积累大量数据，比发现希格斯粒子时的数据多几十倍。从现在到2025年，预计将达到300fb-1的统计值。在未来两年内，大型强子对撞机有望达到100fb-1，而关于TeV规模的新物理信号直接存在的第一个答案将会出现。

2018年必须被视为一个里程碑，到那时为止所获得的结果将决定未来的所有选择。如果我们已经收集到新物理学的证据，我们将设计其他加速器来详细研究粒子出现的能量区域。如果我们没有发现，一方面我们将加强精确测量，另一方面将有必要集中精力实现能量的飞跃。到那时，在技术和成本允许的情况下，我们有必要建造设想的最强大加速器，尽可能地推动探索的前沿。

当你屏住呼吸，惴惴不安地分析第一次13TeV数据时，改进机器和探测器的紧张工作已经开始了。目标是进一步提高亮度，并收集高达3000fb-1的数据。这一阶段的超高亮度被称为高亮度大型强子对撞机，大致覆盖2025—2035年。因此，大型强子对撞机还有很长的一段路要走，无论是通过直接发现粒子，还是通过寻找与标准模型预测的显著偏差，它将允许对新物理的系统探索。该加速器将发挥真正的希格斯玻色子和顶夸克工厂的作用。在没有新物理的直接信号情况下，高亮度大型强子对撞机的统计数据仍然允许对标准模型的决定性参数进行精确测量，这些参数可以间接指示新现象。

与此同时，欧洲对中国和日本未来加速器倡议的回应—未来环形对撞机（FCC）已经启动。未来环形对撞机项目是一个国际研究小组，旨在为欧洲核子研究组织建造100km的对撞机进行概念设计、定义基础设施和估算成本。该项目设想了一个100TeV的质子—质子对撞加速器（FCC-HH），并考虑在第一阶段使用大型基础设施作为质子—质子对撞加速器（FCC-EE）。

该提案在2014年提出，并立即得到了国际物理界的大力支持。该研究小组目前包括来自数十个国家的数百名科学家。最终报告定于2018年发布，这将成为欧洲在粒子加速器领域制定新战略的基础。这一决定可能标志着21世纪上半叶的物理学进程。

在这个地区挖掘这么大的隧道本身就是一个挑战。该地区夹在湖泊和山脉之间，地质情况相当复杂。新的加速器将穿越整个日内瓦地区，包括日内瓦湖的一段，深度在200~400m之间。该路线会避开大量的含水层，主要规划在稳定、易开挖的地质地层中。无论如何，必须在一个人口稠密的城市地区开采和搬运数百万吨的岩石，如果有深达400m的通道，就必须找到合适的方法来运输几十千米以外的人员和物品。该地区的一大优势是现有的基础设施：从欧洲核子研究组织到大型强子对撞机项目的加速器链（可充当注入器），以及足以满足新机器预期消耗的电力网络。

从物理学的角度来看，首先运行电子和正电子对撞机，然后运行质子—质子对撞加速器，这两个加速器的连续组合是目前为止最优的配置。一旦隧道准备就绪，第一个安装的就是电子加速器。现有的技术需要开发，共振磁体和谐振腔的工业生产可以与隧道挖掘工作并行组织。与已经为大型强子对撞机开发的探测器相比，这些探测器本身并不需要重大创新。在乐观的情况下，我们可以设想在2018年做出决定，2023年开始建设，并预计在2035年大型强子对撞机的高亮度阶段结束时开始运行。

质子加速器要复杂得多，一方面，要实现工业规模的磁铁生产，还需要几年的发展时间。预计2040年可启动质子—质子对撞加速器项目，这使我们能够为超导磁体提供最好的解决方案，这将是该项目的核心。另一方面，质子加速器的探测器本身极其复杂—它们需要新技术和至少10年的发展，才能开始生产工业规模的各种组件。

电子和正电子对撞机项目专注于希格斯粒子、标准模型的顶夸克和基本参数的精确测量。预计机器运行在90GeV将产生大量Z玻色子，然后切换到160GeV时产生W玻色子对，上升到240GeV产生与Z玻色子相关的希格斯粒子，最后达到350GeV产生顶夸克对。对于希格斯粒子与其他粒子的耦合性研究，电子和正电子对撞机期望精确度在1%~0。1%之间。

利用质子—质子对撞加速器100TeV的能量，探索比大型强子对撞机高7倍的能量级将成为可能。在几个TeV到几十个TeV之间任何新的质量状态都可以直接被识别出来。如果希格斯玻色子是基本的或者有内部结构，我们也可以理解，也可以研究自发电弱对称性破缺的细节，这对理解我们周围的世界具有决定性的意义。质子—质子对撞加速器的高亮度，比大型强子对撞机高10倍，最终可以产生数百万的希格斯玻色子，从而将电子和正电子对撞机的精确测量扩展到更难测量的粒子参数。

我们与这个宏伟计划的差距在于，首先，这个项目的成本仍然难以评估，但150亿~200亿欧元的投资是需要的。另外，许多技术上的困难也不容忽视，要生产16吨或20吨的超导磁体。为此，由欧洲核子研究组织领导的研究小组正在进行密集研究和开发活动，以期在2018年制造出第一个现实的原型。他们面临的其他挑战还包括：如何管理束中储存的巨大能量及其平均寿命，如何使用冷却系统来消除真空管辐射产生的热量，以及如何保护系统以及辐射对机器部件本身造成的损害。还应该记住的是，质子—质子对撞加速器的探测器是比大型强子对撞机要复杂一个数量级的仪器，因此需要进一步的技术飞跃作为支撑。

然而，毫无疑问的是，欧洲正在用未来环形对撞机项目发起挑战，并在关于未来加速器的世界辩论中占据了中心舞台。另外，美国似乎对这一切保持低调。那些曾经是该领域无可争议的重要地位的国家，以某种方式参与了欧洲、中国和日本的倡议，但没有提出另一种选择，或正在争取领导讨论中的大型基础设施之一。

美国物理学家最初唯一的提议是回到达拉斯附近的沃克西哈奇，建造欧洲人希望在日内瓦附近建造的100TeV质子加速器。

他们的想法是利用已经为超导超级对撞机挖掘的几十千米的隧道，快速完成87km的长度，并使其成为希格斯工厂，一个类似电子和正电子对撞机的240GeV正负电子加速器。然后利用得州有利的地质条件，挖掘一条270km长的隧道，装备5T的磁铁（一项众所周知的技术），以达到质子对撞机的100TeV。87km长的隧道还可以为加速器安装一个15TeV的注入器。在后期，当15T磁铁的技术可用时，270km长的隧道可以装备新的磁铁，从而达到300TeV。

尽管规模庞大，但支持者认为其成本和交货期将大大优于未来环形对撞机项目。这种方法虽然有趣，但还没有被认为是其他提议的替代方案。

寻找至高无上的地位

以新加速器项目为开端的场景，让我们能够理解科学政治在国际层面上的重大策略。它包含了许多新颖的元素。

首先，正如前面提到的，美国似乎已经同意扮演次要角色。其次，他们被超导超级对撞机项目的失败重创，还遭受了欧洲核子研究组织致命的双击。W和Z玻色子的发现以及希格斯玻色子的发现似乎已经将美国淘汰，现在他们似乎没有做出反应的力量或意愿。不过，美国仍然是技术领先的国家之一，它在其他知识领域的投资，如天体物理学或空间技术，仍然是巨大的。

亚洲强国的情况则完全不同，不仅是日本，还有韩国，尤其是中国。地球上最活跃的地区的国家正在行动，在这个地区，行动速度也是其他地区的两倍。

日本在高能物理学方面有着悠久的传统，日本科学家在过去65年里获得诺贝尔奖的名单就是最有力的证明。中国和韩国最近才迎头赶上，但他们在过去15年取得的进展令人瞩目。特别是，中国在默默起步后，开始产出了值得尊敬的科学成果。为了加强一个足够的高能物理学家群体，他们从国外吸引了一些最优秀的华裔研究人员。对于那些在美国最负盛名的大学工作的人才，他们提供了有竞争力的薪水和研究基金。为了推动新的加速器项目，他们聘请了声望极高的人士，并为愿意在大学任教的年轻欧洲或美国物理学家提供教授职位。

中国的基础研究投资逐年增长。对于欧洲人来说，我们每次都要为应对持续的预算削减而斗争，甚至不敢做梦。从2000年到2010年，中国在研发上的投入已经超过了整个欧洲。

此外，中国还启动了太空探索计划，包括建立轨道科学站和一系列月球探索任务，目的是让人类重返我们的卫星。每年都有几十所新的大学开放，主要的中微子物理基础设施已经建成，包括一个新的地下实验室。

如果说今天的欧洲在高能物理领域拥有无可争议的领导地位，那是一流大学培养的高素质科学家、古老传统和高效率组织的结果，如欧洲核子研究组织—研究机构体系和国家实验室网络。我们有一切条件来保持这一优势并进一步发展它。在欧洲，有太多具有科学性质的战略选择，都受到这个或那个政府的政治偶然性的制约，或者严格地依赖于这个或那个国家的经济状况。因此，必须肯定一种完全不同的办法，它必须是有效的，作为我们关于一个展望未来社会的提议的一种立宪条约。欧洲必须通过加强大学和研究中心，不断资助基础研究。只有通过培养一代又一代的新科学家并不断投资，进步和创新才能持续。政府的任务是不断地投资基础研究，而行业的任务是利用公开的知识开发实际应用研究，并从大学招募最优秀的年轻人参与实践。