《2020欧洲粒子物理学战略》的目标之一是选择一个希格斯工厂，对加速器和探测器进行研发，开展项目可行性研究并改善环境的可持续性。

2020年6月，欧洲核子研究中心（CERN）理事会全票通过了《2020欧洲粒子物理学战略》。新战略把建造正负电子对撞机和未来环形对撞机（FCC）作为最高优先事项。欧洲粒子物理学界志在建造一个用于精细研究希格斯玻色子的正负电子对撞机，并计划确定100 TeV强子对撞机（即“FCC”）的可行性——FCC预计造价为210亿欧元。作为第一步，FCC隧道和基础设施可以当作一个希格斯工厂。

新战略指出，在谋划建造未来对撞机的同时，欧洲粒子物理学界应继续推进既定的研究计划。其中最重要的是把CERN的大型强子对撞机（LHC）升级为“高亮度LHC”，以及支持并参与日本和美国的中微子项目——尤其是长基线中微子设施（LBNF）及相关的深层地下中微子实验（DUNE）。

该战略展望，欧洲与世界各地的伙伴携手合作，同时确保其在基于加速器的粒子物理学和相关技术的“持续的科技领先地位”。为了实现这一战略目标，真正建成可运行的对撞机，而不是纸上谈兵，就必须从四种可能的希格斯工厂建设方案中快速做出决策。此外，FCC的可行性研究应在7年内完成，以便在下一次战略更新之前及时提出可靠的建议。2020版新战略是对最初的2006版战略的第二次更新。

在历时两年的战略制定过程中，成千上万的科学家做出了贡献。CERN理事会成员、德国马克斯 · 普朗克物理研究所的齐格弗里德 · 贝思克（Siegfried Bethke）透露，“新战略的批准过程很敏感，我们对每个逗号都进行了讨论”。CERN理事会由23个成员国每国各派一名科学家和一名政府代表组成。以色列特拉维夫大学的哈利娜 · 阿布拉莫维奇（Halina Abramowicz）主持了新战略的决策过程。她表示：“希望我们的建议能够推动这些想法向前发展。”

周长100千米的未来环形对撞机将从日内瓦湖下面穿过。项目将从建造正负电子对撞机起步，而后升级为100 TeV强子对撞机。对于该项目是否继续推进的可行性研究，是《2020欧洲粒子物理学战略》的一个最高优先事项

希格斯工厂哪家强？

阿布拉莫维奇认为：“要寻找超标准模型新物理，显而易见的着手之处是对希格斯玻色子的专心研究，因为它会耦合到所有事物。”这就是为什么《2020欧洲粒子物理学战略》的第一个建议就是建造希格斯工厂，因为希格斯工厂只涉及基本粒子之间的净碰撞，而不会像强子碰撞那样产生更复杂的混乱。

2012年，粒子物理学家首次在大型强子对撞机上观测到希格斯粒子。尽管理论物理学家此前已经预言了希格斯粒子的存在，但并未确定其质量。至于下一步要寻找什么粒子，粒子物理学界处于迷茫中，理论有很多，却没有清晰明确的预测。英国利物浦大学的马克斯 · 克莱因（Max Klein）负责协调CERN的电子-强子对撞机的发展，他坦言：“我们没有可靠的理论指导，这就需要一个经过权衡的折中项目，我们也许应该对项目将来可能取得的发现做出更少的承诺。探索自然界，寻找解决粒子物理学持久难题的答案，都需要提高粒子碰撞过程的能量、亮度以及碰撞方法的多样性。”

美国芝加哥大学的金英琪（Young-Kee Kim）指出：“我们需要比标准模型更完整的一种新的物理理论。”她正领导着当前的斯诺马斯研究，该研究将一直持续到2021年底，将提供美国同行对于《2020欧洲粒子物理学战略》的意见。

在希格斯工厂的四个候选项目中，最长远的设计是拟在日本建造的国际直线对撞机（ILC），这个项目的想法已经酝酿了大约20年。ILC将在20千米长的隧道中产生250 GeV的质心碰撞，估计造价为50亿~60亿美元，其中不包括人力成本。可以通过延长隧道长度，或者也许可以通过升级到加速梯度更大的新加速器技术，来提高能量。新战略文件称，如果ILC快速实现，欧洲粒子物理学界“将希望与ILC项目开展合作”。阿布拉莫维奇指出：“如果日本将该项目推向前进，将是对粒子物理学界的一个极大利好。”

2020年1月，数十名粒子物理学家在德国巴特洪内夫举行会议，敲定了《2020欧洲粒子物理学战略》的细节。哈利娜·阿布拉莫维奇（前排中间）是该战略组组长。站在阿布拉莫维奇身后的是CERN总干事法比奥拉·吉亚诺蒂和CERN理事会主席乌苏拉·巴斯勒

日本高能加速器研究机构（KEK）执行董事冈田康弘（Yasuhiro Okada）表示，日本“欢迎欧洲伸出的橄榄枝”，并且日本在继续推进似乎停滞不前的ILC方面“可以有所作为”。该项目不仅需要日本，还需要欧洲、美国和其他合作伙伴的财政和人力支持。冈田指出，国际未来加速器委员会（ICFA）于2020年2月22日发表的关于ILC的声明，也能促使日本继续推进该项目。

2020年夏天，ILC开始了最终的工程设计工作。同时，冈田希望日本文部科学省“加强与其他国家的研讨”。他说，ILC有望在21世纪30年代中期开始运行。这将具有与高亮度LHC运行时间重叠的优势，高亮度LHC预计在2027年开始运行直到下一个十年末。

希格斯工厂的另一个选择是紧凑型直线对撞机（CLIC），这是CERN的一个长期项目。使用CLIC，可以在相对较短的11 千米距离内，将电子和正电子加速到以380 GeV的能量碰撞，并且设计能量能扩展到3 TeV。贝思克表示，尽管新战略没有支持CLIC，但是如果100 千米的 FCC最终“以失败告终”，那么可以复活CLIC项目。

希格斯工厂的其他候选项目都是环形对撞机。CERN正考虑就在未来将建造FCC强子对撞机的那同一条100千米长的隧道中，建造一个正负电子对撞机FCC-ee。中国也有类似的提议，即100千米环形正负电子对撞机（CEPC），以后同样也可以转变为强子对撞机。同步辐射限制了环形加速器的能量范围，中国和欧洲这两个对撞机的正负电子对撞的可预见能量范围都约为90~350 GeV。在这样的能量下，环形对撞机的亮度要比直线对撞机更高，并且可以容纳多个探测器。

即使ILC向前推进，FCC-ee仍然值得建造。“它们可以互补，”阿布拉莫维奇指出。ILC可以更早启动运行，如果能量扩展到500 GeV，就能研究希格斯自耦合。“有了FCC-ee，我们可以降低能量，对其他的标准模型耦合进行极其精确的测量，”她说，“而且，我们可以获得大量的统计数据，来研究味对称性是否守恒。”但是考虑到所涉及的巨大成本，克莱因指出，建造两个正负电子对撞机是有问题的，而且许多粒子物理学家认为，如果ILC项目继续推进，那么，欧洲应该直接去建造一个纯粹的未来环形强子对撞机。

能量边界

荷兰拉德堡德大学的西耶布兰特 · 德容（Sijbrand de Jong）指出，欧洲粒子物理学界的最终目标是建造一个产生强子碰撞的FCC，“通过扩展能量边界，我们进入人类从未探索过的一个能量范围。为了说服其他人，我们必须提出更切实的目标，才能争取到资助。可能性很多，但并非一切可能性最终都可以变成现实。”

在CERN建造FCC将需要经过其在日内瓦湖下面的100千米隧道。确定地质条件是否合适以及能否获得许可，是可行性研究的一部分。该项目还将从私人用地下面穿过，而且包括地上竖井和一个地面电网，因此，当地公众能否接受至关重要。环境问题，例如分离出的污物置于何处，也很重要。

战略协调员、荷语布鲁塞尔自由大学的约根 · 东特（Jorgen D’Hondt）认为：“最大的问题就是能耗。”他指出，一个希格斯工厂的能耗将是当前大型强子对撞机的三倍。“问题制造者，也应该成为问题解决者。我们需要开发更好的替代技术以减少能耗。”此外，他补充说，对于来自加速器以及冷却和计算系统的废热，应该更有效地加以再利用。

技术上的主要障碍是生产16 T的超导磁体（几乎是现有LHC磁体强度的两倍），从而操纵和聚焦循环加速的质子。目前正在使用铌锡进行实验，但是这种材料的脆性使其难以制成制造电磁体所需的超导线材。到目前为止，已经准备在高亮度LHC中测试11 T磁体，并且科学家已经获得了更强韧的演示磁体。贝思克说：“我们估计制造出16~20 T的铌-锡磁体需要20~25年。”科学家同时也在研究高温超导磁体。

最后，在欧洲粒子物理学界建议向前推进FCC项目之前，必须与忠诚的合作伙伴一起制定稳健的财务计划。“FCC将远远超出CERN的预算，”贝思克提醒，“我们将需要成员国以及日本、美国、俄罗斯和其他国家的大量额外资助。”

如果中国继续推进建造一个与FCC类似的对撞机，我们将很难证明建造FCC的合理性。CEPC国际咨询委员会委员、芝加哥大学的金英琪认为，“CEPC即使对中国来说，也将是一个雄心勃勃的大项目，可能是中国引以为傲的项目”。CEPC是中国十四五规划中可能会考虑立项资助的几个大型国际项目之一。金英琪指出：“该项目要取得成功，需要国际社会的重大技术贡献和科学参与，还需要其他地区的财政资助。”

中美之间日益紧张的局势，可能使两国都会参与的新项目的实施变得困难重重。但是，东特认为，如果中国继续推进其希格斯工厂，将改变欧洲的计划。“全球范围内出现任何一个新的对撞机项目，都会引起我们对欧洲粒子物理学战略的重新评估”。

《2020欧洲粒子物理学战略》建议粒子物理学界继续研究替代性的加速技术。东特说：“我们对FCC项目已经下定决心，但为谨慎起见，我们将继续调研其他可选项目。”主要是渺子对撞机、等离子体尾波场加速器和CLIC，这三种都被广泛认为是可以在更遥远的将来采用的方法，或是在FCC倘若失败的情况下备选的方法。

美国粒子物理学界曾考虑过μ子对撞机，在2014年又放弃了这一方案。但是，这个备选项目现在正在全世界重新引起关注。东特说，μ子碰撞的优点是“用10~15 TeV的μ子碰撞，可获得堪比100 TeV的质子碰撞的物理现象。”他解释说，μ子碰撞的困难在于其寿命短。“必须立即将它们集结成束并使其碰撞。”此外，高强度、高能量的μ子束会在波动中产生中微子和其他粒子，这些粒子与原子相互作用产生强子簇射，可能对实验设备和人体造成危害。

在等离子体尾波场加速中，一束入射激光或其他驱动光束使电离气体中的电子沿着驱动光束的横向场振荡。被捕获的电荷形成“波浪”，以接近光速的速度运动。注入“波浪”中的粒子会受到一个强大的加速场作用。马克斯 · 普朗克物理研究所的艾伦 · 考德威尔（Allen Caldwell）指出：“强电场对加速很有用，但正电子的加速看起来仍然很困难。要在实现高能量的同时实现高亮度是一个挑战，我们还没做好充分的准备。”

考德威尔很高兴新战略提到了等离子体尾波场和其他替代性加速技术，并且认可中微子物理学、暗物质搜寻和其他研究方向的重要性。他表示，尽管如此，“大型对撞机仍然是该战略的前沿和核心。并非研究对撞机的粒子物理学家可能感到被排斥在外。”考德威尔继续谈道，“从我的口味来说，这个新战略是保守的。这个战略的实现将需要数十年的时间，它足以吸引下一代科学家的想象力吗？是否足够大胆，能在未来50年甚至更长时间里，持续得到粒子物理学界的关注和聚焦？”

可持续发展与社会

《2020欧洲粒子物理学战略》的第一条是关于环境和社会影响的声明。“大型对撞机消耗巨大的能量，我们想考虑如何循环利用能源，”阿布拉莫维奇表示，“我们使用对地球有害的气体，并且希望避免使用如果泄漏会造成环境污染的液体。”战略文件鼓励减少出行，还说：“任何一个重大项目的审批程序，都应包括对环境影响最小化和对能源的节约再利用的详细计划。”

瑞士保罗谢勒研究所的莱昂尼德 · 里夫金（Leonid Rivkin）也是战略协调员之一，他指出，新战略的目标至少要绵延到2080年。这就是新战略着重强调加速器的研发和相关教育推动的原因。新战略呼吁粒子物理学家“与教育工作者和有关当局合作，探索将基本粒子及其相互作用的基础知识纳入学校常规课程中，”德容指出，“人们对物质结构的了解，不应该仅仅停留在质子这个层面，而应该更深入一层。粒子物理学是主流文化的一部分，触及各种社会问题，包括核能、聚变能、医疗诊断和治疗工具，这些都与人们的日常生活息息相关。”

更直接的问题是新冠肺炎疫情是否以及如何影响新战略的实施。CERN的年度预算约13亿瑞士法郎来自成员国，并且通过法律协定予以确定。到目前为止，预算经费看起来很稳定。里夫金感到，新冠肺炎大流行和随之而来的经济困境令人担忧。“我们希望成员国认识到粒子物理学和科学对人类发展技术和解决社会问题的重要性。我们激励聪明的年轻人敢于挑战，提出未来前沿研究的想法。”对较小的国家实验室进行资助也很重要，他补充道，“求木之长者，必固其根本。根之不固，则何来大树苍天哉？”

资料来源 Physics Today