摘要：在瑞士和法国边境的欧洲核子研究中心总部，一场关于粒子物理学未来的战斗正在进行。欧洲核子研究中心的领导人希望在这里建造地球上最大的机器：一台巨大的粒子加速器，将于 2070 年投入使用，届时该实验室目前的旗舰设备大型强子对撞机 (LHC) 将相形见绌。

大型强子对撞机的 CMS 实验。图片来源：Piotr Traczyk/CERN

Nature报道：欧洲物理实验室 CERN 计划在 2070 年前建造一台巨型对撞机。批评人士称，该计划可能会导致其失败。

在瑞士和法国边境的欧洲核子研究中心总部，一场关于粒子物理学未来的战斗正在进行。欧洲核子研究中心的领导人希望在这里建造地球上最大的机器：一台巨大的粒子加速器，将于 2070 年投入使用，届时该实验室目前的旗舰设备大型强子对撞机 (LHC) 将相形见绌。

该计划的方方面面都是史无前例的。未来环形对撞机（FCC）位于一条周长 91 公里的隧道内，是 LHC 的三倍多。其成本可能至少为 300 亿美元，将以比 LHC 高八倍的能量对撞质子。人们希望，扩大这一能量前沿将揭示前所未见的粒子，从而解决标准模型（目前关于宇宙基本粒子和场的最佳理论）的一些紧迫问题，并揭示物理学的一些最大谜团，例如暗物质的性质。

欧洲核子研究中心的地图显示了可能挖掘一条 91 公里长的环形隧道的位置；较小的 LHC 位于其左侧。图片来源：CERN

达到这种能量的技术尚未成熟。因此，计划是挖掘隧道并插入一台更简单的机器，从 2045 年左右开始，让电子和它们的反粒子（称为正电子）发生碰撞（参见“CERN 的巨型对撞机计划”）。这个临时对撞机将产生和研究大量被称为希格斯玻色子的基本粒子，以了解它们在自然界中的关键作用。之后，这个“希格斯工厂”将被拆除。

FCC 的两阶段计划得到了许多物理学家的支持。该计划由 CERN 总干事 Fabiola Gianotti 牵头，并得到 Mark Thomson 的支持，后者将于 2026 年 1 月接替她。Gianotti 在给《自然》杂志的一份声明中表示：“如果获得批准，FCC 将成为有史以来最强大的工具，用于在最基本的层面上研究自然规律。”

但《自然》杂志发现，很多人对此并不满意。对二十多位研究人员的采访显示，许多人对 FCC 战略持批评态度，因为该战略需要很长时间才能实现，而且投入大量资源可能会阻碍其他想法的实施。

以色列特拉维夫大学粒子物理学家 Halina Abramowicz 表示：“问题在于，业界是否愿意牺牲未来 50 年的时间来获得一个可能或不可能修复标准模型的玩具。”批评者还表示，CERN 领导层决定支持 FCC，但并未充分征求业界意见。

在这样一个庞大而又充满政治性的项目中，由于涉及 CERN 许多成员国的财政捐助和数万名研究人员的意见，分歧在所难免。（在建造 LHC 时，德国曾威胁说，如果其削减预算的要求得不到满足，它就退出 CERN 。）但许多研究人员告诉《自然》杂志，不满情绪已经达到了前所未有的程度。

目前还不清楚 CERN 成员国是否会为该项目出资。德国已经表示不会增加预算拨款。而其他地方的项目可能会削弱 FCC 的立场：尤其是中国正在决定是否批准类似的机器。

明年可能是欧洲巨型对撞机计划的决定性一年。到 12 月，战略工作组将向欧洲核子研究中心理事会（该组织的管理机构）提交关于该想法的结论。这不仅关系到这项雄心勃勃的实验本身，还关系到几代物理学家的工作生涯——以及欧洲在本世纪余下时间在粒子物理学中的作用。

欧洲核子研究中心成立于第二次世界大战后，是和平科学研究的一项有意识的努力的一部分，从那时起它就一直是粒子物理研究的重要中心。欧洲核子研究中心的年度预算由一项国际公约确定，接近 15 亿瑞士法郎（17 亿美元），资金来自 24 个成员国以及美国和日本等非成员国，是国际科学合作的灯塔。

近二十年来，欧洲核子研究中心一直拥有世界上最大的、功率最高的对撞机 LHC。LHC 本身取代了同一隧道内之前的一台电子-正电子对撞机 LEP，后者建于 20 世纪 80 年代。但欧洲核子研究中心还开展了许多其他实验和技术项目，包括反物质、宇宙射线、替代加速器技术、先进磁铁和用于医学应用的同位素的研究。

2012 年，吉亚诺蒂在大型强子对撞机上宣布发现了希格斯玻色子。这或许是欧洲核子研究中心最辉煌的发现：它不仅仅是一个粒子，更是标准模型的关键。希格斯玻色子的发现是宇宙中存在一个场（希格斯场）的第一个直接证据。其他基本粒子与该场的不同相互作用解释了它们为何具有不同的质量。

欧洲核子研究中心总干事 Fabiola Gianotti（中）于 2023 年在 LHC 与法国总统埃马纽埃尔·马克龙（左）和阿兰·贝尔塞（时任瑞士总统，现任欧洲委员会秘书长）合影。图片来源：Martial Trezzini/EPA-EFE/Shutterstock

大型强子对撞机未能超越这一时刻。希格斯玻色子在高能质子碰撞中被震出，但迄今为止，该对撞机未能带来更多备受期待的发现，例如暗物质的性质。大型强子对撞机的寿命预计在 2040 年结束，自 2010 年代以来，人们就开始酝酿其继任者的想法。

标准模型无法解释暗物质或决定希格斯场性质的未知粒子，以及粒子物理学中的其他主要问题。但从理论家的模型来看，尚不清楚碰撞高能质子是否会产生可能提供答案的新型超大质量粒子。

尽管如此，许多研究人员认为这是值得的。“探索能量前沿将使我们能够加深对最短距离物理学的理解，我们知道这与最大规模的宇宙物理学密切相关，”Gianotti 说。“它就像一片开阔的海洋，”粒子物理学家 Pierluigi Campana 说，他住在罗马附近，担任国际未来加速器委员会主席。他将对能量前沿的探索比作第一批乘独木舟横渡太平洋并定居其众多岛屿的探险家。

艺术家对未来环形对撞机质子对撞机阶段隧道的印象图。图片来源：PIXELRISE via CERN

两阶段 FCC 概念于 2019 年首次提出。其理念是，初始阶段的“希格斯工厂”可能会揭示一些与标准模型预测的偏差，这可能暗示新粒子是否存在以及它们的质量可能有多大。这个问题与标准模型的一个核心谜团有关：希格斯玻色子如何“打破”标准模型中三种基本力中的两种之间的对称性：电磁力和弱核力。在大爆炸后存在的高能量下，这两种力是统一的。

然后，一旦研究在必要的技术上取得突破，比如如何生产足够高强度的超导磁体来引导和聚焦粒子束，第二阶段的 FCC 就可以建造来发现这些粒子——如果它们在它能够探测到的范围内的话。（一些物理学家说，新粒子可能包括暗物质的成分，但现在许多理论家认为，这些粒子很可能比 LHC 已经搜索过的范围轻得多，而不是重得多。）

虽然大多数粒子物理学家都认为拥有两台 FCC 机器是件好事，但成本却高得吓人。目前还没有完整的成本估算；CERN 文件显示，仅第一阶段就可能耗资 170 亿美元。然而，北伊利诺伊大学德卡尔布分校的加速器物理学家 Vladimir Shiltsev 和他的同事估计，这是最低值，两阶段加起来至少要耗资 300 亿美元，甚至可能更多（T. Roser等人，J. Instrum。18，P05018；2023）。

欧洲核子研究中心的下一台巨型对撞机计划尚未确定。图片来源：Fabrice Coffrini/AFP via Getty

研究人员已经提出了几种未来对撞机的其他可能设计。几十年来，希格斯工厂的主要方案不是圆形对撞机，而是直线型对撞机，称为国际线性对撞机。人们详细研究了该对撞机，打算将其安置在日本，但该国没有最终批准。以国际线性对撞机为蓝本的线性希格斯工厂的支持者表示，它将完成圆形对撞机的所有希格斯研究，但更便宜、更快捷。德国汉堡电子同步加速器 (DESY) 的物理学家珍妮·利斯特 (Jenny List) 表示，一台拥有 21-33 公里隧道的机器的成本可能不到 FCC 第一级的一半。它还可以研究两个希格斯粒子如何相互作用。加州门洛帕克 SLAC 国家实验室的理论物理学家迈克尔·佩斯金 (Michael Peskin) 表示，这项研究无法在 FCC 直接进行，并且对于理解希格斯场的性质至关重要。 “我们知道如何建造它；它的成本合理，而且如果我们能够齐心协力，它真的可以在大型强子对撞机停止运行的时候投入运行。”他说。

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物理学家表示，线性和环形方案各有优缺点。FCC 计划的支持者表示，一旦线性隧道作为希格斯工厂的使命完成，它将成为一条死胡同。但 List 反驳说，线性对撞机可以通过延长隧道进行升级。它可以搭载未来的线性加速器，该加速器基于正在开发的几种先进技术之一，例如美国主导的冷铜对撞机。这是线性加速器的一个新概念，与功率类似的机器相比，它可以大大降低电力消耗。

“世界上没有理由建造一个循环的希格斯工厂”，而不是线性工厂，阿布拉莫维奇说，特别是考虑到其预期的高额电费。一些研究人员建议，探索多种选择比将未来几代科学家锁定在一条昂贵的道路上要好得多，直到 2070 年及以后，那时还不清楚 FCC 是否是回答物理学家问题的正确工具。“我认为强迫我的孙子孙女学习物理课程非常不公平，”维也纳奥地利科学院物理学家、欧洲核子研究中心理事会成员 Jochen Schieck 说。

对于许多物理学家来说，FCC 的一个有说服力的论据是，它可以继续支持围绕 LHC 实验发展起来的 15,000 名研究人员和支持人员组成的庞大群体。Abramowicz 说，这就是许多人支持环形对撞机理念的真正原因：它可以在四个独立的“相互作用点”产生碰撞，每个点都有一个巨大的探测器，产生的数据可能涉及数千名物理学家的合作。线性对撞机一次只能进行一项实验，因此它支持的物理学家较少。

巨型质子对撞机要到 2070 年才能准备就绪，这一想法也让一些研究人员感到担忧，因为这意味着他们在有生之年将看不到新的能量前沿。有人说，CERN 应该全力研发先进的加速器技术，使设施能够更快地达到更高的能量。这将包括 FCC 所需的磁铁研究，但也将吸收新的但未经证实的想法，例如对撞 μ 子束，μ 子是电子的较重近亲。

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一些研究人员，包括英国科学技术设施委员会前首席执行官约翰·沃默斯利（John Womersley）和威斯康星大学麦迪逊分校的 LHC 物理学家图利卡·博斯（Tulika Bose），希望尽快开发出能量更高的机器。

沃默斯利建议将 LHC 的运行时间缩短至 2035 年，并使用分配的资金开发 FCC 第二阶段的技术。博斯建议完全跳过希格斯工厂。

欧洲核子研究中心的一位发言人表示，升级后的大型强子对撞机即将产生的数据将为早期职业研究人员带来“奇妙、令人兴奋且具有指导意义的机遇”。如果一切按计划进行，从该计划结束到 2040 年代中期电子-正电子对撞机启动，仅有几年的时间。

对当前FCC计划的批评是，CERN在制定该计划之前没有充分听取社区的意见，而且它在可行性研究中投入的财力和人力资源远远超过了对其他项目（如先进加速器研究）的投资。

部分分歧在于如何解读 2020 年德国巴特洪内夫研讨会后发布的一份关键文件（见go.nature.com/4hrjmqp）。该会议由 CERN 理事会任命、Abramowicz 担任主席的工作组召开，旨在更新欧洲粒子物理学和 CERN 未来的战略。出席会议的研究人员说，在那次会议上，德国政府的一名代表私下告诉物理学家（包括 Gianotti），德国无力承担建造大型新加速器的费用——这一观点将在 2024 年公之于众。

有人说，文件中的内容是希望支持两阶段 FCC 计划的人与替代方案之间的一种不明确的妥协。该文件将希格斯工厂列为“最高优先级”（不排除线性对撞机），然后陈述但没有对其他优先事项进行排序。这些优先事项包括调查 CERN 未来强子对撞机的可行性，并有可能将希格斯工厂作为第一阶段，以及加大力度开发未来加速器的技术。

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参与该战略制定过程的一些研究人员，包括 Schieck 和德国加兴马克斯普朗克物理研究所的物理学家、前 CERN 理事会成员 Siegfried Bethke，表示该文件经过精心编写，为其他希格斯工厂设计留有余地，并避免将两阶段 FCC 列为首要任务——仅呼吁调查其可行性。它并没有支持 CERN 领导层所追求的确切方案，即最远在 2070 年实现的两阶段计划。他们说，CERN 本可以投入更多精力探索线性对撞机方案，并将更多资源投入到先进的加速器技术中。

不过，Gianotti 表示，CERN 正在投资一些关键研究领域，包括线性对撞机、高场磁体和替代加速器技术。“值得注意的是，CERN 多年来在线性对撞机研究上投入的资源几乎是在 FCC 上投入的三倍”，CERN 发言人补充道；CERN 告诉《自然》杂志，FCC 可行性研究已耗资 1.13 亿瑞士法郎。Gianotti 和其他支持 FCC 的人表示，他们在遵循战略文件来开展 2070 年 FCC 可行性研究。“它肯定是在按照欧洲战略更新的要求去做”，战略文件的共同撰写者、伦敦大学学院的 LHC 物理学家 Jonathan Butterworth 说。

这项研究的中期报告于 2024 年 2 月出炉，但未公开；欧洲核子研究中心表示，它已经研究了这条 200 米深的隧道的地质情况，并为其在瑞士日内瓦南部设定了最佳路径。最终可行性报告将于本月底公布，旨在包括详细的成本估算和可能的融资方案。

“当然，CERN 的预算有限，而该战略明确将 FCC 列为优先事项，”巴黎综合理工学院CNRS 物理学家、2019 年至 2021 年担任 CERN 理事会主席的 Ursula Bassler 表示。

一些研究人员告诉《自然》，他们感到有压力要支持联邦通信委员会，以便向外界展示统一阵线，因为有人说，“争吵的科学家得不到资金”。瑞士洛桑联邦理工学院粒子物理学家、2013 年欧洲战略演习主席 Tatsuya Nakada 表示，一旦业界达成共识，这将是正确的态度。但他说，尽管物理学家们正在讨论各种选择，“但这种态度有点危险，也可能被用来压制不同意见”。

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包括李斯特和意大利帕多瓦大学粒子物理学家 Donatella Lucchesi 在内的许多批评人士表示，Gianotti 无视警告，不要将 CERN 过多的注意力放在 2070 年 FCC 计划上。“业界人士确实表示，实际上是现任总干事的愿景在推动这一进程，”英国粒子物理顾问小组主席、伦敦大学学院粒子物理学家 Ruben Saakyan 补充道。在接受《自然》杂志采访时，Gianotti 并没有直接回应这些批评，而是强调了 CERN 正在进行的研究和开发工作，并表示该组织正在研究“各种对撞机选项”，包括 FCC、线性对撞机和μ子对撞机，以及加速器研究。

巴斯勒和其他人反驳说，实验室确实听取了社区的意见，但也必须展现领导力。“科学管理有点像放牧猫群，”巴斯勒说。“有很多想法在流传，但到了某个时候，如果你想建立一个大项目，你必须团结人们，你必须推动它。这肯定是 FCC 社区所做的。”

“我们已要求各国粒子物理学家就未来对撞机的首选方案提供意见，”CERN 发言人在谈到最终形成 2020 年战略文件的演习时表示。他们补充说，CERN 管理层是根据该战略文件采取的行动。

在欧洲核子研究中心审议的背景下，有消息称中国可能很快会批准建造一台类似于两级 FCC 的巨型对撞机。中国政府今年将提交一项建造 100 公里环形正负电子对撞机的提案，可能将其纳入其下一个五年计划。建设可能于 2027 年开始，耗时约 10 年。2024 年 6 月的一份报告估计其成本为 364 亿元人民币（50 亿美元），尽管 Shiltsev 表示，这一数字可能被低估了（J. Gao Radiat. Detect. Technol. Methods 8 , 1–1105; 2024）。

该对撞机将是一个希格斯工厂，就像 FCC 的第一阶段一样。同样，根据超导磁体的可用性，质子-质子对撞机可能会紧随其后，其能量将达到与 CERN 机器设想的能量相似。2024 年的报告将最早的建设开始日期定在 2050 年左右。

大多数接受《自然》采访的研究人员都认为，CERN 最终将支持 FCC。2026 年某个时候，委员会可能会正式宣布这一决定，甚至在资金到位之前。“我认为委员会将面临巨大压力，不得不说‘让我们把 FCC 列为优先事项，以后再找资金’，”佩斯金说。

但这并不意味着 FCC 将会成立。FCC 的支持者希望通过将成员国的捐款提高约 12% 来为其提供部分资金，但 Bethke 表示这“是不可能的”。他说：“我认为资助机构不会在这个时候一致投票支持大幅增加捐款——因为我们面临着所有其他社会困难。”

即使成员国确实增加了捐款，该项目仍将面临数十亿瑞士法郎的资金短缺。许多人希望法国和瑞士能够提供大笔资金，这可以作为对建设所在地区当地经济的刺激。所有人都一致认为，最糟糕的情况是，建设几年后资金就用完了，项目在完成前被取消。这就是 20 世纪 90 年代美国超导超级对撞机的命运，国会在 1993 年在花费 20 亿美元后取消了该项目。

随着讨论的继续，部分原因是 LHC 自 2012 年以来没有发现任何新的基本粒子，一些物理学家已转向研究中微子等其他粒子，甚至转向引力波等其他领域。许多人担心，如果不确定性持续下去，这种迁移将会加速——尤其是如果 LHC 结束和新加速器启动之间的差距扩大的话。

“我认为，我们作为一个科学界，本身就具有价值。分裂它必须谨慎行事，”巴黎索邦大学从事 LHC 实验的粒子物理学家 Vava Gligorov 表示。

自然639 , 560-563 (2025)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00793-x

来源：人工智能学家