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大型对撞机建或不建,欧洲、日本、美国怎么做?

科技日报
2016-09-14 11:16
来源:澎湃新闻
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近日,关于中国是否应主导建设大型对撞机的问题成为科学界争论焦点。全球范围内,对于这样一种高投入设施,即使是经济富裕、重视科研的欧美和日本,也都慎之又慎。

支持者认为,新一代对撞机将成为引领全球粒子物理研究的“王牌”。然而,这注定是一场“烧钱”的竞争。巨额投入与尚不明朗的研究前景,让各国掂量再三。

欧洲:谨慎决定未来方向

欧洲拥有全球最大、能量最高的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC),其质子对撞能量为14TeV(万亿电子伏特),轨道长度27公里,有来自30多个国家的超过2000名物理学家参与。研究者所属的大学与实验室共同出资兴建这一耗资约80亿美元的“大家伙”。LHC所在的瑞士日内瓦与法国交界地区已发展为一座汇聚全球研究者的科学中心,有100多位中国研究者在那里工作。

科学家宣布利用LHC发现了被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子。

2012年,科学家宣布利用LHC发现了被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子,完成了粒子物理所谓的“标准模型”。然而,LHC目前已经达到其设计能量,要进一步寻找新粒子,需建设能量和精度更高的机器。

负责运营LHC的欧洲核子研究中心(CERN)发言人阿诺•马尔索利耶接受新华社记者专访时说,未来10年LHC将进行大规模升级,并运行至2035年,届时产生的对撞能量将是现在的数倍。此后,CERN计划建设对撞能量达100TeV的新一代环形(质子)对撞机,轨道总长将达100公里。CERN将在5年内公布“未来环形对撞机”的完整设计报告和造价。

“但在任何关于新对撞机的决定敲定前,我们需要积累更多来自LHC的结果,这些结果将决定未来选择的方向,”马尔索利耶说。今年8月5日,CERN在美国芝加哥召开的国际高能物理大会上宣布,去年12月LHC疑似发现比希格斯玻色子更重粒子的迹象只是实验数据失误。这令物理学家们极为失望,也让能否发现超越“标准模型”的新物理的前景更加不明。为此,CERN正在研究“多种选择”。

英国《自然》杂志认为,直到本世纪30年代中期,CERN都将忙于提高LHC的质子束密度而非增强能量。

日本:注重“经济实用”

日本已经完成了下一代大型对撞机的初步工程设计,并得到美国能源部和CERN的支持。与欧洲不同,日本选择建设更加“经济实用”的直线对撞机。

日本高能加速器研究机构(KEK)冈田安弘接受新华社专访时介绍,日本研究界一直在向政府建议由日本主导国际直线对撞机(ILC)计划。

ILC效果图

冈田安弘说,ILC将在总长约31公里的地下隧道开展正负电子对撞,虽然对撞能量仅为1TeV,却可更好地分析对撞后新粒子特性,在精密测定希格斯粒子、探寻新物理方面的能力远超LHC,还可在发现暗物质粒子方面加强同LHC的互补性研究。ILC造价约78亿美元,日本东北地区的岩手县及宫城县被列为候选建设地,预计将于本世纪20年代后期开始运转。

不过,文部科学省下设的专家小组对媒体表示,日本将等到2018年欧洲的LHC首次最大能量运行后再作决定。日方也在研究经费的不确定性和相关风险。冈田安弘说,日本的出资比例还需通过政府间交涉决定。由日本文部科学省和美国能源部组成的联合小组正在讨论如何降低ILC开支,认为造价还可降低15%。

美国:主动放弃“烧钱”竞争

美国超导超级加速器(SSC)建设项目在上世纪的“夭折”,是美国科学史上的伤心往事,不少高能物理研究人员提起此事都叹息连连。美国从大型对撞机竞争中“出局”,此后也未就开建新一代大型对撞机有新规划。

在SSC项目选址地得克萨斯州爱丽丝,已建成的22.5公里的地下隧道被弃。美国物理学会会士韩涛对新华社记者说:“宣布终止SSC让高能物理研究的中心从美国移到欧洲。”

SSC对撞能量达40TeV。然而该项目经过几年建设,在完成了约20%、花掉了20亿美元后于1993年被美国国会取消。

当年美国物理学界分为两派,反对建设方主要担心对撞机挤占其他基础科学研究经费,影响力最大的声音来自诺贝尔奖得主菲利普•安德森。

93岁的菲利普•安德森在接受新华社记者专访时说:“我认为反对建设超级对撞机终究还是对的。”他认为,粒子物理学家太执著于高能量对撞这个代价极大的单一研究方式,而忽略了其他重要的实验事实(比如暗能量、丢失零点能、暗物质等问题)比追逐高能量还有意义。

如今,美国最高能量的对撞机是始建于1983年的费米实验室的加速器Tevatron,对撞能量为1.96TeV。美国更寄望通过中微子研究揭示“标准模型”外的秘密。费米实验室计划耗资10亿美元建造长基线中微子设施,于2026年向不同探测器发射中微子束,成为世界中微子研究的领导者。

一些研究者认为,目前处在观望阶段的日本、欧洲和尚无计划的美国会给中国建设大型对撞机带来难得的十年“窗口期”,中国的经济基础和科技决策机制在推行大科学项目上更具优势;但反对者认为中国并不具备欧洲多年的技术积累、人员合作基础和完备的配套基础设施,也没有日本的“差异化”竞争策略。

(原题为《对撞机,他国如何取舍?》)

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