Comparative evaluation of future collider options
本报告基于性能、成本、可持续性和技术成熟度等标准化标准，对包括未来环形对撞机（FCC）及其他替代方案在内的拟议未来对撞机项目进行了对比评估，旨在为欧洲粒子物理学策略的更新提供参考。
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宇宙是由基本粒子构成的，几十年来，科学家们一直利用被称为粒子对撞机的庞大机器，将这些粒子以惊人的速度碰撞在一起。通过研究这些碰撞产生的碎片，研究人员可以揭示支配物质与能量的规则，寻找解答困扰人类数个世纪之谜的方法。其中最著名的机器是位于法国和瑞士边界的大型强子对撞机（LHC），它已经发现了希格斯玻色子——一种赋予其他粒子质量的粒子。然而，随着我们目前的机器达到其能力的极限，全球科学界正在展望未来。目标是建造一个新的、甚至更强大的设施，能够更深入地窥探现实的结构，可能揭示出我们现有工具无法看到的物理新现象。
来自欧洲核子研究组织（CERN，运行大型强子对撞机的欧洲机构）的一份新报告，对不同的前进路径提供了清晰且详细的比较。报告作者是一群花费多年时间评估各种方案的专家，他们收集了关于几种拟议中的未来对撞机的数据，以确定哪一个能在科学前景、技术可行性、成本和环境影响之间提供最佳平衡。他们的工作不仅仅是一份构想清单，而是一项严谨的评估，旨在帮助决策者为欧洲粒子物理学的下一个重大项目做出选择。该报告考虑了可能在2040年代中期开始运行的机器，以及可能在世纪后期投入使用的更具雄心的概念。它权衡了让粒子在巨大环路中转向的环形机器与在直线中发射粒子的线性机器之间的优缺点，甚至还探讨了涉及缪子（电子的一种更重的近亲）的奇异概念。
报告首先关注最紧迫的任务：一个电子-正电子“希格斯工厂”。这种类型的机器旨在产生大量的希格斯玻色子，以便科学家能够对其进行极高精度的研究。实现这一目标的领先候选者是一个名为未来环形对撞机（FCC-ee）的环形对撞机。这台机器将被安置在一个长近100公里的新隧道中，环绕在法国和瑞士的乡村之下。FCC-ee 设计用于在不同的能量水平下碰撞粒子，使其能够以无与伦比的准确度研究希格斯玻色子和其他粒子。报告强调，这种环形设计具有高度的效率；因为粒子在环路中行驶，它们可以被多次重复使用，在消耗比同等功率的直线型机器更少电力的同时，产生海量的数据。研究估计，建造这台机器需要巨额投资，其中最大部分的成本将用于挖掘隧道和建造地面设施所需的庞大土木工程。然而，团队指出，该设计已经成熟，且建造它所需的技术在很大程度上是现有的或接近就绪的。
另一种作为希格斯工厂的选择是线性对撞机，它会在电子和正电子碰撞前沿沿直线发射。报告考察了两个具体的提案：紧凑线性对ر对撞机（CLIC）和一个基于日本项目设计的线性对撞机设施（LCF），后者将在 CERN 建造。与环形机器不同，线性对撞机只发射一次粒子，这意味着它需要更长才能达到相同的能量水平。报告发现，虽然这些机器可以产生极化束（一种有助于科学家理解粒子属性的特征），但对于希格斯工厂所需的较低能量而言，它们的能量效率通常低于其对应的环形对手。CLIC 提案使用一种独特的方法，即利用第二束粒子为主要束流提供加速动力，而 LCF 则依赖于已在其他大型项目中得到验证的超导技术。作者得出结论，虽然这些线性选项在技术上是可靠的，但由于 FCC-ee 具有更高的数据输出量和更低的单位信息采集能耗，它为近期提供了更好的路径。
看向更远的未来，即2050年代之后，报告评估了建造强子对撞机的可能性，这种机器将质子以远高于目前任何可能水平的能量碰撞在一起。FCC-hh 是这一角色的主要候选者。它将被安装在与 FCC-ee 相同的100公里隧道中，但在电子-正电子机器完成其任务后，该隧道将被重新利用以容纳质子对撞机。这台机器将使用强大的磁体将质子引导至高达85太电子伏特的能量，这一规模可能允许科学家发现全新的粒子或力量。报告指出，这台机器所需的磁体技术正在快速进步，尽管仍需大量的研发才能达到必要的性能水平。该项目的周期很长，建设可能始于2060年代，运行始于2070年代，但它代表了将能量前沿推向极限的终极目标。
研究还考虑了一些更具投机性的想法，例如缪子对撞机。缪子是不稳定的粒子，衰变很快，这使得它们难以在对撞机中使用，但它们提供了在比质子对撞机小得多的空间内达到极高能量的潜力。报告明确表示，虽然缪子对撞机的物理潜力令人兴奋，但技术尚未准备就绪。关键挑战，如将缪子束冷却到紧凑的聚焦状态以及管理其衰变产生的强烈辐射，尚未得到解决。作者指出，缪子对时不应被视为下一个主要设施的现实选择，因为仅证明其能够安全地建造和运行就需要十年的专门研究。同样，报告还检查了重复利用现有大型强子对撞机隧道的可能性。虽然这看起来像是节约成本的措施，但研究发现，当前隧道内的空间太小，无法容纳高能机器所需的先进磁体，而且任何此类项目都可能使真正下一代设施的建设延迟数十年。
环境可持续性是整个评估过程中的一个重要主题。作者计算了建造和运行这些庞大机器的碳足迹，考虑了挖掘隧道、制造组件以及运行实验所需的能量。他们发现，建设阶段，特别是隧道的开挖和混凝土的生产，占据了大部分温室气体排放量。然而，报告也指出，未来运行这些机器所使用的电力很可能来自更清洁的来源，因为欧洲的能源网预计在未来几十年内会变得更加绿色。环形对撞机由于能够重复利用粒子并在产生单位数据时产生更少的废热，成为近期最具环保优势的选择。团队还探索了减少环境影响的方法，例如将机器产生的热量回收用于为附近建筑供暖，这一策略已在 CERN 得到了成功的测试。
在成本和资源方面，报告详细列出了每个项目所需的内容。据估计，环形对撞机的初始阶段成本约为150亿瑞士法郎，其中包括隧道、加速器和探测器。线性对撞机的初步建造费用预计会稍低一些，但为了达到更高能量，它们可能在后期需要更昂贵的升级。建造这些机器所需的人力资源也非常庞大，据估计在建设期间需要1万到1.5万名全职工作人员。作者强调，必须尽快做出关于选择哪条路径的决定，关键的选择预计将在2028年至2030年之间做出，以确保新的机器能在当前的实验在2041年结束运行后立即投入使用。
最终，报告得出结论，从电子-正电子阶段开始并演变为质子对撞机的未来环形对撞机，为欧洲粒子物理学提供了最稳健且最现实的前进路径。它平衡了对希格斯玻色子进行高精度测量以及探索最高能量前沿的长期雄心。虽然像线性对撞机或缪子机器这样的其他选项各有其优点，但报告认为它们要么在近期目标上效率较低，要么距离技术成熟还有一段距离，因此不应作为主要焦点。这项研究是一份全面的指南，陈述了事实、挑战和机遇，以便科学界及其合作伙伴能够就如何继续探索理解宇宙的征程做出明智的决定。
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