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最近的一份报告强调了能源消耗和成本对未来大规模粒子加速器项目决策的重要性。

建造大型粒子加速器，比如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)，需要投入大量的时间、资源和人力。为了充分利用其在这一领域和其他研究领域的努力，粒子物理社区组织经常性的区域规划练习。这些讨论有助于社区在中微子、宇宙和加速器物理等领域的研究重点上保持一致。

作为美国最近规划进程的一部分，负责评估新加速器装置建议的小组是加速器前沿实施工作组（简称ITF）。近期，该工作组发布了一份初步报告，强调了降低全球下一个大型粒子加速器项目成本和能源消耗的研发需求。

“问题是，下一个大事件是什么?下一个真正令人兴奋的物理学在哪里?”

加速器前沿ITF评估了24个关于新加速器装置的竞争性提案，其中许多都旨在实现更大的功率、更高的能源效率，或比它们的前任更紧凑的设计，亦或三者的某种组合。加速器物理学家、ITF成员玛琳·特纳表示，这一领域的提案太多了，她预计，如果有的话，也只会建成一到两个。

对特纳来说，这种差异凸显了规划过程的重要性。

特纳说:“如果只打算建造一个或两个大型装置，你真的想确保你所追求的是最好的。开始的任何项目都是一项沉重的长期投资。”

特纳说，今天社区中有这么多加速器研发的原因之一是一个简单的事实，即上一个大型加速器项目，LHC的装置建设在十多年前就完成了?！拔侍馐?，下一个大事件是什么?下一个真正令人兴奋的物理学在哪里?”

一些拟议的加速器设计旨在生成已知粒子的详细信息。例如，“希格斯工厂”对撞机将专门关注希格斯玻色子。然而，最高能量的设计具有更探索性的目的。

粒子加速器在促进突破性物理学发现方面有着悠久的历史。在60年代末和70年代初，SLAC国家加速器实验室的加速器实验提供了第一个证明夸克存在的证据，夸克是基本粒子。这些粒子不是由其他更小的粒子组成的。最近，LHC促成了希格斯玻色子的发现。

加速器实验还使许多不同类型的复合粒子得以发现，这些复合粒子由两种或两种以上的基本粒子组成。事实上，LHC进行了前所未有的高能实验，在短短10年的运行中，已经发现了近60种新的复合粒子。

为什么研究人员相信更高的能量可以产生新的、更重的粒子?他们的逻辑基于现代科学史上最著名的科学方程之一:“爱因斯坦的著名公式E=mc2说，可以用能量制造物质，这就是粒子对撞机所做的，它们应用了能量，他们希望你能产生物质。”特纳说。

如果加速器能达到比LHC更高的能量，就能让我们首次观测到暗物质等假想粒子，或者产生尚未进入理论物理学领域的更奇特的物质。特纳说:“我们只是把尽可能多的精力放在谈判桌上，希望得到一些我们没有预料到的东西?！?br />

要想打破LHC在2022年创下的每束6.8万亿电子伏的世界纪录，需要在加速器研发方面取得重大进展。特纳说:“它正在挑战技术的每一个极限。假如你给了我无限的钱，但你想要一台10+TeV的机器的话?！碧啬山馐退?，我们根本不知道如何制造这样一台机器，至少目前还不知道。

加速器研发需要进展

追求越来越高的能源和其他性能的改进可能最终与今年ITF报告的结论不一致，报告强调了以降低成本和能源消耗为中心的研发的重要性。ITF主席托马斯·罗瑟指出，这些结论与以前的规划周期明显不同。

罗瑟说:“过去，很多研发都是为了提高性能，获得高亮度，如何达到高能量，等等。但现在成本已经变得如此之大，不清楚整个社会是否能负担得起。此外，能源消耗在我看来已经成为决定我们是否能够建造另一台对撞机的关键因素?！?br />

对于罗瑟来说，大型加速器项目的巨大成本和能源需求不仅仅是政治或后勤障碍，在某种程度上与粒子物理科学无关。相反，他将它们视为加速器研发本身的核心考虑因素。他说:“我担心，如果我们不积极采取行动，把性能研发作为可持续运营的优先事项，这些机器将超出社会所能容忍的范围?！?br />

日本加速器物理学家Katsonobu Oide是ITF为数不多的代表国际社会的成员之一，他对此表示赞同。Oide说:“我们必须时刻关注能源效率，而不是加速器的梯度，也不是机器的尺寸。我们必须时刻关注这种效率?！?br />

今天的加速器研发景观

ITF评估的24个加速器方案在方法和技术成熟度方面差别很大。一些项目，如国际直线对撞机，已经在设计过程中开发了几十年。其他一些则代表了可能需要25年以上进一步研发的新概念。

ILC为ITF评估的其他一些加速器提案提供了一个有用的对比?！癐LC已经准备好了，如果你给我们钱，我们就会建造它?！?br />

ILC的想法已经存在了很久，它已经成为其他希格斯工厂加速器的基准设计。与此同时，资金问题使该项目停滞了多年，这也是物理界产生如此多新加速器研发的另一个原因。

ILC的另一种选择是冷铜对撞机（CCC），这是一种线性对撞机，将用低温铜取代传统的ILC加速结构，使束流更快地加速，从而成为一个更紧凑的机器。实现这一目标将允许CCC的尺寸小于ILC的一半，同时提供类似的性能。

另一种替代方案是回收线性对撞机或ReLiC，这是“能量回收”概念的一个例子，其中加速器产生的能量和粒子将被捕获和重复利用，以更高地提高能源效率。

更小或更节能的对撞机似乎是解决罗瑟的能源和成本问题的明确解决方案，但这些概念也有它们自己的缺点?！叭钡恪羌际趸姑挥凶急负??！甭奚?br />

总的来说，技术上最雄心勃勃的提案需要最多的额外研发。在许多情况下，他们将产生最大的成本。

展望未来

对特纳来说，像ReLiC这样的雄心勃勃的提议，以及来自ITF评估的其他提议，比如基于介子和等离子体的对撞机，都强调了加速器研发的有效性。

“我们正在推动技术的每一个可能的边界，”她说，“如果开发出更好的磁铁，这对对撞机很好，对工业、医疗应用和工业用途也很好。欧洲核子研究中心又为他们的一台机器开发了触摸屏。万维网，也是欧洲核子研究中心的发明?！?br />

Oide认为，在欣赏这些副产品时，我们不应该低估科学发现的价值?！傲Ｗ游锢硌е械男矶喾⑾侄际怯杉铀倨魍瓿傻?，不是全部，而是很多，”他说，“很多、很多、很多的物理学发现都需要新的加速器?！?br />

对罗瑟来说，这一切都回到了能源消耗的问题上。他说：“实现加速器研发的正确方法是制造出能源使用效率更大的机器，这样你就可以得到高性能的机器，但它不需要大量的能源?！?/span>

来源 |《Symmetry》期刊官网

  编译 | ?槟榔郭