【LHC的奇迹】第二集：竞争对手

作者: wave酱

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我们今天继续来讲大型强子对撞机LHC的故事 上一集说到，LHC一经提出，就遭到了阻力。这个故事要从LHC升级前的电子正电子对撞机LEP讲起。 在LEP（大型电子-正电子对撞机）筹备的过程中，CERN的物理学家们早早就开始为未来的升级布局。 然而，这种前瞻性规划却引发了CERN内部的激烈争论，争论的核心是LEP隧道的尺寸。 要理解其中的矛盾，要先理解一下LEP的升级需要的工作。升级后的LEP将成为LHC（大型强子对撞机），这需要非常高强度的超导磁铁，而这些磁铁必须依赖巨大的隧道空间来容纳。 此外，在同样的磁场下，相反电荷的粒子会向不同的方向偏转。因此与LEP的电子-正电子对撞不同，要约束方向不同的质子-质子对撞，需要方向相反的磁场，所以需要使用两条独立的管道，这无疑进一步扩大了隧道的空间需求。 以英国为首的欧洲北部国家的物理学家群体，他们对修建大隧道的方案持强烈反对态度。在他们看来，LEP已经是一个27公里长的庞然大物，也许它将是CERN的“绝唱”。 这些反对派对于对撞机物理的未来持悲观态度，他们悲观地认为，LEP就将是CERN可以运行的最后一台对撞机。 更大的隧道意味着更高的建设成本，如果LHC最终不被批准，这个更大的隧道就完全是浪费，而在当时，LEP本身能否通过审批仍是未知数，在LEP身上增加一个隧道的成本对LEP通过审批无疑是一个负面影响。 经过漫长而激烈的讨论，最终达成了一个妥协方案——LEP隧道的尺寸足以容纳一条LHC管道，但无法容纳两条LHC管道。这一决定看似折中，却让双方都不完全满意： 对LEP而言，这样的隧道尺寸毫无实际意义，反而增加了经费压力；而对主张升级的派系来说，只能容纳一条管道的隧道也让LEP的升级计划显得不够彻底。 然而，尽管如此，这个妥协的决定最终被接受——因为它比什么都没有要强（”better than nothing”）。 令人意想不到的是，这个看似鸡肋的决定，后来却成为LHC成功建成的关键一步。 在隧道尺寸的问题上妥协到极限之后，CERN的物理学家们转而从技术上寻求突破。 他们开始尝试将两条管道塞进本该只能容纳一条管道的狭窄隧道中。 1984年，一个可行的方案被提出。历史就是这样，由无数的风险与机会书写而成。这个妥协与创新的结合，最终铺就了LHC的成功之路。

时间回到1984年，CERN的物理学家们面对LEP升级为LHC的艰巨挑战，苦苦寻找突破口。这时，Giorgio（乔治奥）教授提出了一个革命性的方案——“二合一束流管道”。他提出使用超导线圈将两条束流一起包裹，极大地缩小了LHC所需的管道尺寸。这一技术设想，终于让LEP升级成LHC的计划从理论变为可能。 接下来的岁月里，物理学家们夜以继日地努力，对LHC的设计方案不断细化。到了1990年，这项前沿计划的轮廓渐渐清晰。 1990年10月4日至10月9日，欧洲未来加速器委员会在德国亚琛组织了一场历史性的讨论会。此次会议成为推动LHC项目发展的重要里程碑。 会议吸引了500多位物理学家齐聚一堂，他们对LHC展现出前所未有的热情。 为期五天的讨论，涵盖了从LHC可能进行的物理研究到加速器设计、探测器设计，以及模拟软件的开发等方方面面。 会议的成果被整理成了三卷、超过2000页的会议文档，全面记录了关于LHC的构想与探索。 在会议的总结中，George Kalmus这样评价道： “这个会议是LHC项目的标志性事件。在欧洲粒子物理的视角中，LHC从一个试探性的想法，转变为欧洲粒子物理发展的方向。 这并不意味着所有的困难都已经解决，但LHC的物理目标令人兴奋， 而所需的加速器与探测器技术虽然艰巨，但并非不可能实现。” 这一场会议，不仅让LHC的梦想迈出了关键一步，更凝聚了欧洲乃至全球物理学家的智慧与力量，开启了粒子物理学的新篇章。

关于LHC的讨论仍然局限在物理学家之间，集中在对其物理目标和技术可行性的研究上。 而到了1992年，传来了一个激动人心的消息——CERN理事会，这个CERN的最高决策机构，正式宣布：“LHC将是CERN的下一代大科学装置。” 同年，理事会还成立了LHC实验委员会，负责统筹推进这一雄心勃勃的计划。

在20世纪80到90年代，跨越大洋的彼岸，粒子对撞机的研究也在迅速推进。 1983年，超导超级对撞机（SSC）计划首次提出，这一提案甚至早于LHC提出二合一磁铁方案。 SSC是美国构想中的下一代对撞机，其设计理念远远超出了LHC的范畴。在当时的冷战背景下，美国在经济和技术上的优势使其在粒子物理领域占据了领先地位。 SSC的性能参数令人瞩目：

• 周长87公里，是LHC的三倍；
• 束流能量高达20 TeV，是LHC的2.5倍。 从40年后的今天来看，SSC的设计几乎显得不可思议，即使是现代技术也难以实现。当时的物理学家们似乎过于乐观，将希望寄托在技术的快速进步上。
  尽管如此，SSC卓越的性能设计使其在全球高能物理领域成为焦点。 对于LHC的支持者来说，SSC的存在无疑给CERN带来了一个艰难的问题： “在有着更优越性能的SSC情况下，LHC是否还具有存在的意义？” 这个问题不仅对LHC构成挑战，更对欧洲在全球粒子物理领域中的地位提出了严峻的考验。

随着两大对撞机计划的推进，全球粒子物理的格局进入了一个微妙而紧张的竞争阶段，LHC的未来曾一度悬而未决。在SSC强大的竞争压力下，CERN的物理学家们就像迷途之子，陷入了深深的困惑：是否应该放弃LHC计划，转而与美国合作，加入SSC项目？ 围绕这个问题，欧洲内部展开了长达数年的激烈争论。80年代中期，时任CERN主任赫尔维格·肖佩尔（Hervig Schopper）甚至亲自前往华盛顿，与美国方面讨论欧洲加入SSC的可能性。 然而，美国提出的条件令欧洲物理学界感到难以接受——欧洲不需要为SSC贡献技术、设备或智慧，只需支付1到2亿美元，就能在SSC建成后获取其实验数据。

这一提议背后，实际上暗藏着两种不同的风险：

• 选择SSC，意味着欧洲将放弃自主发展本土对撞机技术，失去掌握核心科技的机会，成为美国技术的追随者；
• 坚持LHC，则意味着欧洲需要投入巨资建造一台能量参数不及SSC的对撞机，同时面临被全球粒子物理领域边缘化的风险。

将资金投入美国的项目与投入欧洲本土的科研设施，是两种截然不同的选择。虽然它们似乎可以解决类似的科学问题，但在科学成果、技术发展、经济回报以及人才培养等方面的收益却不可同日而语。 在面临困境时，CERN的物理学家们将注意力转向了LHC的竞争力。除了能量，另一个至关重要的参数——亮度，成为了实现突破的关键。亮度越高，实验能收集到的数据就越多，从而提升对撞机的科学产出和竞争力。可以用一个形象的比喻来说明，寻找新粒子就像在矿山中挖掘金子。高能量如同更强大的挖掘工具，帮助我们深入挖掘更深的矿脉；而更高的亮度，则意味着能够在更多地方展开探索，开辟出更多潜在的发现机会。 通过CERN物理学家，如卡洛·鲁比亚（Carlo Rubbia）等人的努力，LHC的设计亮度提升了100倍，使其亮度达到了SSC设计指标的十倍，这一改进使LHC在数据收集能力上获得了显著优势。然而，受限于环形结构的规模，LHC的能量上限无法进一步提高，而SSC则更有可能在亮度和能量两个方面同时实现突破。 尽管如此，这一“亮度方案”至少为LHC的支持者提供了希望——一个看似可行的未来。正因为如此，CERN的大多数物理学家选择继续坚持LHC计划，而非离开欧洲，前往美国参与SSC项目。 那么，LHC与SSC的竞争将如何发展呢？敬请期待下一集。