在探寻“上帝粒子”和暗物质的路上，欧洲又往前走了一步。
6 月 19 日，欧洲核子研究组织全票通过《2020 欧洲粒子物理战略》，决定最高优先等级就是研究希格斯玻色子（即“上帝粒子”）和推动高能物理学。
故欧洲核子研究中心通过决策，计划建造耗资 210 亿欧元的高能物理实验机──新世代环状对撞机（Future Circular Collider，FCC）。
这是一项长期计划。2013 年《欧洲粒子物理战略》更新时，就开始进行概念设计研究，打算建造一台比 LHC 能量更高的环状对撞机。
LHC 全称“大型强子对撞机”（Large Hadron Collider），是目前规模最大的粒子物理实验机器，FCC 正是 LHC 的继任者。
2012 年，科学家透过 LHC 对撞实验，证实希格斯玻色子存在，补上粒子物理学“标准模型”最后一块也最重要的拼图。
“标准模型”是微观现象的物理学基本理论，用于解释物质世界的基本构成及相互作用。
理论认为，希格斯玻色子是“质量之源”。其他粒子透过和希格斯玻色子相互作用，才能产生质量，接着有引力，最终形成宇宙和生命。因此，希格斯玻色子有另外一个广为人知的称号：上帝粒子。
从 1960 年代“标准模型”提出，到 2012 年证实希格斯玻色子，花了 50 年。这半世纪里，立下汗马功劳的除了粒子科学家，还有造价动辄十亿百亿的高能粒子加速器。
能量更高的对撞机，意味着什么？
大型对撞机其实可视为特殊的粒子加速器。加速器并不是什么稀奇东西，电视和电脑显示器的显像管，从原理来说，就是小型电子加速器。但像 LHC 这类高能粒子加速器，世界仅此一台。
在加速器里，科学家将（带电）粒子加速到非常快（最快可接近光速，但无法超越光速），使其具非常高能量，然后轰击到目标粒子。
两颗粒子碰撞后，会碰出新粒子，就是科学家要观测的对象。过程好比把两个核桃相撞，外壳破掉后，得到里面的核桃仁。
自 1931 年第一台圆形回旋加速器发明出来，这种装置已发生翻天覆地的变化。第一台圆形回旋加速器只有巴掌大，直径约 11 公分，造价 25 美元，从设计到建成不到一年。而 LHC 长 27 公里，造价超过 50 亿瑞士法郎，从提出设想到成功实验，历时 25 年。
变化如此大的背后，都是为了更高的碰撞能量。对粒子物理实验而言，如果想看到更小的物质，就必须用更快速度碰撞，以产生更高的能量。第一台圆形回旋加速器的能量只有 8 万电子伏特，LHC 的碰撞能量是以兆计算，且还经过多次升级，让粒子物理实验不断突破。
2011 年底，科学家发现希格斯玻色子存在的迹象，但还无法完全确定。2012 年 4 月，为了精准撷取希格斯玻色子，欧洲核子研究中心把 LHC 的最高能量，从 7 兆电子伏特升到 8 兆电子伏特。
撷取“上帝粒子”后，欧洲核子研究中心又多次升级 LHC。2015 年 5 月，将 LHC 对撞能量升到 13 兆电子伏特。
2018 年 12 月再次停机升级，2021 年 5 月重启后，对撞能量将达 14 兆电子伏特。
2025 年最后一次停机，直至 2027 年升级为“高亮度 LHC”。虽然对撞能量没有提升，但能产生更多碰撞，积累资料将超过 LHC 10 倍。
尽管 LHC 多次升级，但对粒子物理来说，想更上一层楼，就得建造更大的实验机器。
撷取“上帝粒子”后
撷取希格斯玻色子后，“标准模型”完整了，但科学家的工作没有停止。不管理论还是实验结果，都表明这不是物质原理的终点。
“标准模型”能涵盖宇宙大爆炸后许多物理过程和现象，但却无法解释暗物质、暗能量及物质和反物质不平衡的问题。补充“标准模型”漏洞的“超对称理论”可解释暗物质、暗能量，但预言的超对称粒子，至今还没有找到。
诸多还没解开的物理谜团，需要新物理来解释。而精准测量“标准模型”的核心──希格斯玻色子，被认为是搜寻新物理的最好破口。
LHC 多次升级的情况下，最大对撞能量也只到 14 兆电子伏特，无法满足精确测量希格斯玻色子的需求。想把希格斯玻色子性质测量至 1% 精确度，需要能产生 100 兆电子伏特能量的装置。
因此，就诞生了 FCC 对撞机计划。FCC 全长 100 公里，安置在环形隧道里，约 6 倍于正在运行的 LHC。按 CERN 的规划，FCC 将坐落在瑞士和法国交接处。
下图白色圆圈即 FCC 占地，左上角蓝色为 LHC 现址，长 27 公里，是目前碰撞能量最大的粒子对撞机。
FCC 计划分成两步，第一步是建造高亮度的正负电子对撞机，碰撞能量与 LHC 类似。第二步是终极目标，打造碰撞能量为 100 兆电子伏特的质子─质子对撞机。
正负电子对撞机拥有极高信噪比，可在极高精准度下测量希格斯玻色子，因此又称为“希格斯工厂”，专门产生大量“上帝粒子”探究性质。中国提倡的环形正负电子对撞机（CEPC），也是和 FCC 第一步大同小异的希格斯工厂。
不管欧洲 FCC 还是中国 CEPC，都有个核心争议：投入产出比。
欧洲 FCC 预估造价 210 亿欧元，中国 CEPC 造价 400 亿人民币，之后的质子对撞机（SppC）更造价 1,000 亿人民币。这些费用通常由国际社会共同承担，以中国 CEPC 和 SppC 为例，国际贡献 30%，中国出资 70%。
如此巨额投入，却面临极大不确定性。建造更大对撞机的长远目标，是为了探寻“标准模型”外的新物理，但没有证据表明，暗物质粒子和超对称粒子会出现在新装置的能量范围。
理论物理学家杨振宁一直反对建设 CEPC，“超对称粒子只是猜想，没有任何实验根据，冀望用极大对撞机发现猜想粒子，只是猜想加猜想。”美国曾也有类似计划，名叫“超导超大型加速器”（Superconducting Super Collider，SSC），因造价飙升而中途放弃，浪费了 20 亿美元。
不过大型对撞机计划有时候会产生技术外溢效应，出现粒子物理领域外的收益。如要供全球科学家交流资讯，欧子核子研究中心诞生了 Web 时代的基础──万维网；因要计算大量实验资料，又发展出世界最大网格计算环境。
（本文由 PingWest 授权转载；首图来源：CERN）
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