在位于瑞士的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）中，人造磁場——磁場強(qiáng)度大約是地球磁場的20萬倍——以接近光速的速度將粒子加速，讓兩束粒子相互撞擊。利用這個世界著名的粒子加速器進(jìn)行的實驗提供了支持標(biāo)準(zhǔn)模型（一個描述宇宙中粒子的行為和相互作用的理論）的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。但是，物理學(xué)家們很想知道這個模型是否適用于能量更高的粒子。

還必須進(jìn)行更多的實驗來擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)模型，以回答諸如為什么宇宙里的物質(zhì)比反物質(zhì)多、暗物質(zhì)到底是什么、中微子為什么具有質(zhì)量等問題。LHC背后的研究機(jī)構(gòu)CERN希望利用其提出的下一代設(shè)施——未來環(huán)形對撞機(jī)（Future Circular Collider，F(xiàn)CC）——來探索這些謎團(tuán)。

1月15日，CERN發(fā)布了關(guān)于FCC的第一份報告，概述了FCC可能的設(shè)計，有130多家機(jī)構(gòu)為該報告的完成做出了貢獻(xiàn)。該設(shè)施估計建設(shè)成本在90億歐元到210億歐元之間，部分設(shè)施可能會在2040年開放。

如果能夠建成，F(xiàn)CC將產(chǎn)生幾乎是LHC兩倍強(qiáng)的磁場，并將粒子加速到前所未有的100TeV的超高能量，而LHC的能量只有13TeV。鑒于LHC的磁體系統(tǒng)能實現(xiàn)8.3特斯拉的磁場強(qiáng)度，F(xiàn)CC系統(tǒng)將能實現(xiàn)16T的磁場強(qiáng)度。

現(xiàn)在，對于那些從事FCC設(shè)計工作的人來說，問題是：科學(xué)家們接下來必須要完成怎樣的技術(shù)壯舉才能產(chǎn)生出如此強(qiáng)大的磁場？

FCC將需要4500多個磁體，這些磁體必須基于新的設(shè)計和材料。目前在LHC中使用的磁體是由鈮鈦（NbTi）超導(dǎo)材料制成的，但對于FCC來說，科學(xué)家們將轉(zhuǎn)向使用更強(qiáng)大的超導(dǎo)材料鈮錫（Nb3Sn）。

CERN媒體關(guān)系主管Arnaud Marsollier表示：“唯一適用于生產(chǎn)可實現(xiàn)16T磁場強(qiáng)度的加速器磁體的超導(dǎo)材料是Nb3Sn?！比欢@種材料對最微小的變形也是敏感的。考慮到材料將經(jīng)歷的極端變化，這會產(chǎn)生問題，可能會降低其超導(dǎo)性能。因此，科學(xué)家需要做出新的設(shè)計來盡量減少對這些系統(tǒng)的壓力。

意大利國家核物理研究所（National Institute of Nuclear Physics）的Stefania Farinon及其同事是致力于制造更強(qiáng)大、更耐用的磁體的團(tuán)隊之一。他們一直在嘗試改進(jìn)一種叫做D2的特殊類型的磁體。D2磁體是粒子對撞機(jī)環(huán)形軌道上倒數(shù)第二個磁體，它就位于粒子相互撞擊之前。其主要功能是分離和重組兩束粒子。

圖片來源：意大利國家核物理研究所/IEEE

用于制造超導(dǎo)磁體的一項新技術(shù)涉及將系統(tǒng)（包括線圈[紅色]和鐵軛[藍(lán)色]）包裹在鋁殼[灰色]中。特別的水囊暫時放置在系統(tǒng)中并使其膨脹以對系統(tǒng)施加預(yù)應(yīng)力。鋁殼有助于在系統(tǒng)進(jìn)一步冷卻時對系統(tǒng)施加預(yù)應(yīng)力。

1月14日，也就是CERN公布其對FCC的規(guī)劃的前一天，F(xiàn)arinon及其同事在IEEE Transactions on Applied Superconductivity上發(fā)表了一篇論文，介紹了如何為FCC制造一個由Nb3Sn制成且在FCC的更強(qiáng)磁場下不會降解的D2磁體。

D2磁體的兩個磁場具有相同的極性和方向——這也意味著磁場可以相互干擾（一種被稱為“串?dāng)_”的現(xiàn)象），從而降低系統(tǒng)的性能。對于較低強(qiáng)度的磁場，例如LHC的磁場，這種串?dāng)_可以通過在兩個孔縫之間加入一種稱為鐵軛的元件來解決。但是在磁場強(qiáng)度較高時，鐵軛不足以阻止串?dāng)_。

為了解決這個問題，F(xiàn)arinon的團(tuán)隊開發(fā)了一種新型D2磁體，它具有一個不同形狀的鐵軛和一個不對稱線圈系統(tǒng)。一個類似的設(shè)計將首先用于LHC，它會作為將于2026年完成的名為高亮度LHC（HL-LHC）的升級項目的一部分。

升級將能實現(xiàn)對粒子束的更好操縱，使碰撞總數(shù)增加10倍。這種新的D2磁體產(chǎn)生的磁場將能達(dá)到4.3 T，而HL-LHC最強(qiáng)大的磁體產(chǎn)生的磁場可能會達(dá)到10T到12 T。最近，D2磁體被運(yùn)往了CERN，F(xiàn)arinon的研究團(tuán)隊將于2月開始在那里對其進(jìn)行測試。

在他們最近發(fā)表的這篇論文中，F(xiàn)arinon的團(tuán)隊建議，用于FCC的D2磁體由Nb3Sn制成并實現(xiàn)10T的磁場強(qiáng)度，使用最近由美國勞倫斯伯克利國家實驗室的一個團(tuán)隊開發(fā)的技術(shù)制造，使用鋁殼和加壓水囊對系統(tǒng)施加預(yù)應(yīng)力。

為HL-LHC和FCC（如果能實施的話）開發(fā)這些升級，可以開辟新的粒子物理領(lǐng)域并提高我們對宇宙的理解。雖然許多物理學(xué)家對FCC的潛力感到興奮，但也有一些科學(xué)家認(rèn)為，如果將建造該設(shè)施所需的資金用于健康或全球變暖計劃，是更好的選擇。在2020年上半年下一個歐洲戰(zhàn)略定稿后不久，CERN理事會將決定對FCC提案的哪些部分給予資助，或者是否為其提供資金。

中國科學(xué)院高能物理研究所所長王貽芳指出，提議的FCC將產(chǎn)生的電子-電子對撞能讓我們得到進(jìn)一步的理解，稱這個設(shè)施“對希格斯屬性的測量精度可以提高10倍，這對于我們理解標(biāo)準(zhǔn)模型內(nèi)外的物理學(xué)至關(guān)重要?！?/p>

雖然王貽芳支持FCC設(shè)計的電子-電子組件的開發(fā)，但他不太相信質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī)提案部分需要那么高的成本。他說：“在我個人看來，我認(rèn)為Nb3Sn并不理想——它太貴了。但在目前，它是唯一的選擇?！?/p>

他在高能物理研究所的團(tuán)隊正在探索超級質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī)（SppC）的前景，不過SppC的磁場將由包含鐵基高溫超導(dǎo)體的電纜制成。他說：“鐵基高溫超導(dǎo)電纜具有許多有前途的特性，但（這項技術(shù)）仍然太遙遠(yuǎn)，因為它的電流密度還差10倍?！?/p>