經(jīng)過數(shù)年的緊張工作，歐洲核子研究中心(CERN)及其國際合作伙伴完成了一項重要研究，旨在評估未來環(huán)形對撞機(jī)(FCC)的可行性。這份報告匯聚了全球一千多名物理學(xué)家和工程師的專業(yè)知識，全面概述了與此類大型項目潛在實施相關(guān)的多個方面。
FCC是計劃建造的新一代粒子對撞機(jī)，其周長約為91公里，有望在2040年代取代CERN目前的旗艦儀器——27公里長的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)。FCC的科學(xué)動機(jī)源自2012年希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，以及基礎(chǔ)物理學(xué)中其他一系列關(guān)鍵的未決問題。
希格斯玻色子作為迄今為止發(fā)現(xiàn)的最簡單卻最令人困惑的粒子，其特性對我們的生存有著深遠(yuǎn)的影響。它不僅與電子等基本粒子在宇宙大爆炸后幾納秒內(nèi)獲得質(zhì)量的機(jī)制密切相關(guān)，從而允許原子和結(jié)構(gòu)的形成，而且可能與宇宙的命運(yùn)也有關(guān)聯(lián)，并有望揭示現(xiàn)代物理學(xué)的許多未解之謎。
根據(jù)《可行性研究報告》的內(nèi)容，F(xiàn)CC研究計劃分為兩個可能的階段：首先是電子-正電子對撞機(jī)階段，作為希格斯、電弱和頂夸克工廠，以不同的質(zhì)心能量運(yùn)行;隨后是質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī)階段，以前所未有的約100 TeV的碰撞能量運(yùn)行。這兩個階段的互補(bǔ)物理計劃均符合2020年更新的《歐洲粒子物理戰(zhàn)略》中規(guī)定的最高優(yōu)先事項。
報告詳細(xì)涵蓋了與此類項目潛在實施相關(guān)的廣泛方面，包括物理目標(biāo)、地質(zhì)條件、土木工程需求、技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施、領(lǐng)土和環(huán)境維度考量、加速器和探測器的研發(fā)需求、社會經(jīng)濟(jì)效益以及成本預(yù)算等。
具體來說，F(xiàn)CC電子-正電子級的建設(shè)成本估計為150億瑞士法郎，包括隧道和所有基礎(chǔ)設(shè)施。這項投資預(yù)計將從2030年代初開始，分12年左右完成，涵蓋土木工程、技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施、電子和正電子加速器以及四個運(yùn)行探測器的建設(shè)。與LHC的建設(shè)一樣，大部分資金預(yù)計將來自CERN當(dāng)前的年度預(yù)算。
CERN承諾，實驗室的任何新項目都將成為可持續(xù)研究基礎(chǔ)設(shè)施的典范。為此，CERN將把生態(tài)設(shè)計原則融入項目的每個階段，從設(shè)計到施工、運(yùn)營直至拆除。報告詳細(xì)介紹了保持FCC環(huán)境足跡較低的概念和途徑，同時推動新技術(shù)造福社會，并發(fā)展能源再利用等區(qū)域協(xié)同效應(yīng)。
在FCC可行性研究的主要內(nèi)容中，對撞機(jī)環(huán)和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的布局和放置經(jīng)過了深入研究，以最大限度地發(fā)揮科學(xué)效益。同時，研究還充分考慮了領(lǐng)土兼容性、環(huán)境和施工限制以及成本因素。在確定首選方案之前，研究團(tuán)隊開發(fā)和分析了不少于100種方案，最終確定的環(huán)周長為90.7公里，平均深度為200米，設(shè)有八個地面站點和四個實驗設(shè)施。
在整個可行性研究過程中，CERN得到了兩個東道國法國和瑞士的鼎力協(xié)助，并與當(dāng)?shù)亍⒌貐^(qū)和國家層面的多個實體進(jìn)行了密切合作。CERN正在根據(jù)東道國各自的框架準(zhǔn)備與公眾的接觸過程，以確保與領(lǐng)土利益相關(guān)者進(jìn)行建設(shè)性的對話。
值得注意的是，該報告并不意味著CERN成員國和準(zhǔn)成員國已經(jīng)承諾建設(shè)FCC。報告將由各獨(dú)立專家機(jī)構(gòu)進(jìn)行審查，然后在2025年11月的專門會議上由CERN理事會審議。理事會可能會在2028年左右決定是否繼續(xù)推進(jìn)FCC項目。
粒子對撞機(jī)在物理探索中發(fā)揮著獨(dú)特的作用，不僅推動了物理學(xué)的前沿研究，還促進(jìn)了許多與社會相關(guān)的領(lǐng)域前所未有的技術(shù)發(fā)展。這些技術(shù)成果廣泛應(yīng)用于醫(yī)療應(yīng)用的超導(dǎo)材料、聚變能研究、電力傳輸以及醫(yī)療和許多其他領(lǐng)域的先進(jìn)加速器和探測器等。
最后，F(xiàn)CC可行性研究是根據(jù)2020年歐洲粒子物理戰(zhàn)略更新的建議啟動的，并將與科學(xué)界提出的替代項目研究一起為該戰(zhàn)略的持續(xù)更新提供重要意見。
