观点 | 为什么我们不需要一个新的大型对撞机？

现在还不是建造更大粒子加速器的时候。但欧洲核子研究中心，总部设在瑞士日内瓦的欧洲物理中心，却有一个大计划。这个世界上最大的粒子物理研究机构，目前运行着世界上最大的粒子对撞机，已经宣布它将建造一台更大的机器，这是在早前新闻发布会中透露的。

随之，欧洲核子研究中心决定要进行未来环形对撞机（Future Circular Collider，FCC）建设计划的第一步。这台对撞机将安装在一个周长100公里（即60英里多一点）的环形隧道中，最终可以达到100太电子伏特的碰撞能量，大约是目前正在运行的大型强子对撞机（LargeHadron Collider，LHC）碰撞能量的6倍。通过达到前所未有的高能量，新的对撞机将使人们能够最深入地观察物质的结构，并提供发现新粒子的可能性。

完整的设想是否会成真，目前还不清楚。但欧洲核子研究中心已经宣布，组织实施FCC计划的第一步是目前该组织“高度有限”的任务，这包括：为隧道找到合适的地点，并建造一台正负电子对撞机，其能量强度类似LHC（然而LHC使用的是质子与质子的碰撞）。至于欧洲核子研究中心届时是否会推进质子之间的高能碰撞，还要再经过几年的研究和讨论才能决定。

这第一步也被称为“希格斯工厂”（Higgs factory），因为它是为了生产大量的希格斯玻色子而特别设计的。2012年在欧洲核子研究中心发现的希格斯玻色子是粒子物理学标准模型中最后一个缺失的粒子。通过这台新机器，粒子物理学家希望更详细地测量它的特性，以及之前发现的一些粒子的特性。

日本正在考虑建造一台与欧洲核子研究中心的“希格斯工厂”有类似目的的线性对撞机，但负责这一项目的委员会在去年的报告中没有做出明确的决定。中国正在考虑建造一个环形对撞机，其范围和规模与欧洲核子研究中心的完整FCC计划类似，但预计明年才能做出决定。

但欧洲核子研究中心的计划如果完全执行，将耗资数百亿美元。由于欧洲核子研究中心提出的预算通常不包括运行成本，因此无法获得确切数字。按照大型强子对撞机的运行成本来看，新对撞机的这些成本可能每年至少达到10亿美元。对于一个可能运行20年或更长时间的设施来说，这与建造成本相当。

毫无疑问，这些都是令人瞠目结舌的数字。事实上，粒子对撞机是目前最昂贵的物理学实验。它们的价格甚至高于太空望远镜。

成本如此之高的主要原因是，自20世纪90年代以来，对撞机技术只有渐进式的改进。因此，今天达到更高能量的唯一途径是建造更大的机器。正是由于纯粹的物理尺寸（长长的隧道，需要填满它的许多磁铁，以及完成这些工作所需要的所有人员）使得粒子对撞机如此昂贵。

但是，虽然这些对撞机的成本膨胀了，但它们的相关性却下降了。当物理学家在20世纪40年代开始建造对撞机时，他们并没有一个完整的基本粒子清单。新的测量带来了新的难题，于是他们建造了更大的对撞机，直到2012年，图像才变得完整。标准模型仍有一些松散的地方，但要通过实验对其测试，至少需要100亿倍于FCC所能达到的能量。因此，下一个更大对撞机的科学案例目前还很渺茫。

当然，下一台更大的对撞机有可能会有突破性的发现。例如，一些物理学家希望，它能提供有关暗物质或暗能量性质的线索。

是的，人们可以希望。但没有理由相信，构成暗物质或暗能量的粒子应该出现在新设备的能量范围内。而且，一开始就假设它们是粒子，但我们对此没有证据。此外，即使它们是粒子，高能碰撞也未必是寻找它们的最佳方式。例如，质量很小的弱相互作用的粒子，就不是人们用大型对撞机寻找的东西。

相比之下，有完全不同类型的实验可以以更小的成本实现突破，比如在低能量下进行高精度测量，或者增加量子态下物体的质量。向更高的能量发展并不是在物理学基础上取得进展的唯一途径，它只是最昂贵的途径。

在这种情况下，粒子物理学家应该专注于开发新技术，使对撞机回到合理的价格范围内，暂缓挖掘更多的隧道。眼前最有希望的技术是一种新型的“尾波场”（wakefield）加速技术，这种技术可以大幅降低粒子加速所需的距离，从而缩小对撞机的体积。另一项改变游戏规则的技术将是室温超导体，它可以使对撞机所依赖的强磁体更加高效和实惠。

研究这些新技术也是欧洲核子研究中心的优先事项之一。但正如战略更新所揭示的那样，粒子物理学家并没有醒悟到他们的新现实。建造更大型的粒子对撞机已经走到了尽头。如今，它的科学投资回报率不高，同时也几乎没有社会意义。大型科学项目一般往往有利于教育和基础设施，但这不是粒子对撞机所特有的。如果我们真正感兴趣的是那些副作用，那么我们至少应该把钱投入到具有社会意义的科学研究中去。

比如说，为什么我们还没有建立一个国际气候预测中心？按照目前的估计，10年内建造这样的中心只需"花费10亿美元。与粒子物理学所吸纳的费用相比，这简直是小菜一碟，但却非常重要。或者你最近可能会想，为什么我们没有一个流行病建模的中心？

就是因为太多的科学经费是根据惯性发放的。在过去的一个世纪里，粒子物理学已经发展成为一个庞大的、非常有影响力的、关系密切的团体。只要有能力，他们就会继续建造更大的粒子对撞机，只因为这就是粒子物理学家的工作，不管这是否有意义。

现在是时候让社会采取更开明的方式来资助大型科学项目了，而不是继续给那些他们以前给过钱的项目提供资金。我们有比测量希格斯玻色子质量更重要的问题。

作者：Sabine Hossenfelder（德国法兰克福高等研究院物理学家，目前从事暗物质和量子力学基础的研究）