粒子物理学正站在一个历史性的十字路口，面临着其下一个重大决策和新的前沿挑战。经过数十年的激烈辩论，欧洲未来环形对撞机（FCC）——这个旨在接替大型强子对撞机（LHC）的庞大项目——的科学必要性已变得无可辩驳。然而，将这一宏伟愿景变为现实，仍面临诸多不确定性。
作者回忆起她初到费米国家加速器实验室（Fermilab）攻读博士学位时，物理学家们普遍弥漫着一种难以言喻的悲伤。就在几年前的1993年，美国国会突然取消了超导超级对撞机（SSC）项目。这个原计划在德克萨斯州地下建造的83公里环形设施，旨在实现比CERN大型强子对撞机（LHC）高出约三倍的粒子对撞能量。SSC的夭折，不仅中断了正在进行的建设，更扼杀了探索一个至今仍未触及的科学前沿的宝贵机遇，其影响持续了三十多年。
然而，历史的齿轮仍在向前。2026年5月22日，在匈牙利布达佩斯举行的CERN理事会会议上，一项更新的战略被一致通过，明确呼吁建造未来环形对撞机（FCC）以接替LHC。这个规划中的91公里环形设施将横跨瑞士和法国边境地下，其设计理念是分两阶段实施：首先作为一台高精度的电子-正电子对撞机运行，为粒子物理学提供前所未有的精确测量能力；同时，它也为未来升级为一台质子对撞机预留了路径，届时其对撞能量将达到未建成SSC目标能量的两倍以上。
尽管FCC项目规模宏大，所需资源将远超CERN目前的预算，但其科学必要性毋庸置疑，技术可行性也已得到充分论证。全球粒子物理学界对此项目表达了前所未有的清晰共识。目前，最大的挑战是如何将这一宏伟蓝图转化为现实。
LHC时代
围绕SSC项目取消的失落感持续了多年，尤其是在那些深谙其长期影响的资深物理学家中。然而，对于像作者这样的年轻研究人员而言，当时的物理学界仍充满活力，实验不断进行，新发现层出不穷，学术会议上思想碰撞激烈。直到后来，作者才深刻认识到，SSC的取消不仅仅是终止了一个项目，它更割裂了美国高能物理学的长期发展愿景。与此形成鲜明对比的是，欧洲的CERN走上了不同的道路：坚定不移地推进LHC项目。LHC的批准并非对SSC取消的直接回应，该项目当时在技术上已相当成熟，但其批准时机——在SSC取消仅14个月后——却极具象征意义。15年后，即2009年，LHC正式投入运行，开启了粒子物理学发现的新纪元。
LHC的成功并非一蹴而就，也绝非板上钉钉。在CERN内部，LHC项目曾面临巨大的阻力，一些成员国不愿承诺参与如此规模和成本空前的粒子物理项目。然而，与SSC在类似阻力下最终崩溃不同，CERN选择迎难而上，最终建成了LHC。实现这一目标需要多年的艰苦谈判和机构层面的巨大牺牲——CERN在建设期间不得不裁减约800名常设员工以消化成本。失去自身大型对撞机的美国也伸出了援手，最终为LHC项目贡献了约5亿美元。这两个对撞机项目在相似的压力下做出了相似的科学押注；然而，区分它们成败的关键并非物理学本身，而是将项目进行到底的决心和毅力。
SSC的夭折不仅重塑了几代人的地缘政治格局，也带来了巨大的科学代价。如果SSC能够建成，美国很可能在多年前就发现希格斯玻色子。然而，希格斯玻色子的发现最终归属于CERN。LHC以近14万亿电子伏特（TeV）的创纪录能量对撞质子，成为世界上最强大的对撞机，并重新绘制了实验粒子物理学的版图。希格斯玻色子并非仅仅是一个学术注脚；数十年来，它一直是标准模型（SM）缺失的基石。LHC的发现证实了一个惊人的理论：宇宙中弥漫着一种无形场，赋予基本粒子质量。没有它，原子、恒星乃至生命本身都将无法存在。
然而，标准模型（SM）对自然的描述仍不完整。尽管它以惊人的精度描述了广泛的物理现象，但仍有许多关于宇宙的重大问题悬而未决。SM无法解释暗物质的存在，也无法解释为何宇宙几乎完全由物质构成，而非物质与反物质等量存在。未解之谜远不止于此。SM也无法解释基本粒子为何具有特定的质量和相互作用强度；大约20个参数需要手动输入，而非从理论本身推导得出。一个更深层的理论将使这些特性成为理论的自然结果，而非任意的输入。从这个角度看，SM就像量子力学出现之前的元素周期表：一个对自然现象描述极其成功的理论，却也指向一个更深层次、尚未被揭示的组织原理。SM不仅在其边缘存在不足，其内部也提出了许多亟待解答的问题。
在粒子物理学的历史长河中，进步往往伴随着新粒子和新现象的发现。其基本逻辑直接明了：要创造更重的粒子，就需要更高的对撞能量，这便是我们所称的能量前沿。然而，一个更深层的理论并非只能通过直接发现来揭示。即使是那些我们无法直接产生的超重粒子，也可能极其微弱地改变我们能够观测到的已知粒子的行为。因此，对已知粒子进行高精度测量，提供了第二条发现之路：精密前沿。希格斯玻色子的发现充分说明了这两种方法缺一不可。发现它需要推动能量前沿，而深入理解它则需要进行日益精确的测量。在LHC时代十多年后的今天，这两个前沿都远未耗尽其潜力。LHC尚未发现新粒子，这并未缩小探索的机遇，反而指明了我们应该去何处寻找。它同时指向了两个方向：更高的能量，以产生更重的未知粒子；以及更高的精度，以在已知粒子中捕捉到它们存在的“指纹”。
追随前沿
随着美国大型对撞机的陆续关闭，许多美国对撞机领域的专家将他们的专业知识带到了CERN，加入了LHC的全球合作。作者本人也面临着类似的选择：是留在美国，还是前往欧洲这个新的能量前沿中心。她最终选择了欧洲，被那里对撞机粒子物理学持续繁荣的希望所吸引。许多其他科学家也做出了同样的选择，相信欧洲有决心在其他国家止步不前的地方继续推进。这种希望并非空中楼阁。如今的CERN不仅仅是一个物理实验室，它更是各国能够携手共建、成就单凭一国之力无法完成的伟大事业的活生生证明。在过去的几十年里，CERN的全球影响力几乎翻了一番，其合作网络扩展到80个国家和全球12,000多名科学家。FCC项目将在此基础上，进一步巩固和发展这一宝贵的国际合作遗产。
从希格斯到下一个前沿
通往FCC的道路依然漫长，欧洲为此已努力多年。早在2013年，CERN理事会启动了欧洲粒子物理战略（ESPP）的首次更新，为这一遥远目标埋下了伏笔。该报告明确指出：欧洲需要在下一次更新前，具备在CERN提出一个雄心勃勃的后LHC加速器项目的能力。然而，当时学界尚未准备好立即承诺一个特定的大型项目。共识是首先专注于升级LHC以提高其亮度——即每秒对撞次数。由此，高亮度LHC（HL-LHC）应运而生。HL-LHC目前正在建设中，旨在提供比LHC多几倍的数据量。LHC已于2026年6月14日结束运行，HL-LHC预计将于2030年左右接棒，并运行大约十年。
2020年ESPP的更新标志着一个决定性的转变，它直接面对了LHC之后的发展方向问题。该战略重申HL-LHC是近期首要任务，但从长远来看，明确指向了一个能够达到100 TeV能量的强子对撞机。这一能量水平远超现有LHC隧道内可预见的磁体技术所能实现。因此，该战略呼吁建造一个新的、更大的隧道，以分两个阶段承载这一宏伟计划：首先，建造一台高精度的电子-正电子对撞机，以前所未有的细节探测标准模型；随后，升级为一台强子对撞机，以拓展能量前沿。这两种对撞机将各自探索对方无法触及的物理领域。
鉴于这些大型机器的设计和建造需要数十年时间，如果下一代对撞机要在2040年代中期投入运行，那么决策必须尽快做出。若拖延太久，将可能危及维系对撞机物理学数代人发展的连续性。粒子物理学本身不会消失——其科学探索范围远超对撞机——但旗舰项目是科学家和工程师社群的支柱，他们的专业知识经过数十年积累，并在一代代项目中传承。如果没有HL-LHC之后明确的发展路径，这种知识和人才的链条将难以维系。
2025年，CERN完成了FCC的全面可行性研究，这标志着2020年ESPP战略实施的一个重要里程碑。该研究不仅描述了一台新机器，更勾勒出一个长达数十年的技术创新计划——从希格斯玻色子精密测量所需的精湛束流控制，到开发足以达到100 TeV能量的超导磁体。其中一些技术目前尚待发明——这在科学前沿领域是常态。FCC可行性研究只是2026年ESPP更新过程中更广泛评估的一部分。该战略过程评估了包括线性电子-正电子对撞机、μ子对撞机、电子-质子设施以及现有LHC隧道再利用等在内的多种方案。经过近两年的评估，结论清晰明确：FCC在科学深度、技术成熟度和长期战略价值方面提供了最强的综合优势。当CERN理事会于5月在布达佩斯召开会议时，它正式批准了ESPP的建议，并为CERN设定了在2028年前向各国政府提交提案的路线图。现在的问题不再是“我们能建造什么”，而是“我们是否愿意建造它”。
令人鼓舞的迹象表明，弥补资金缺口的意愿可能正在形成。2025年，一个私人捐助者联盟承诺为FCC的建设捐赠10亿美元，这标志着CERN历史上首次有私人慈善机构对如此规模的旗舰研究项目做出承诺。欧盟委员会也通过将其列入2028年至2034年重大科学项目草案中的11个“登月计划”之一，表明了FCC对欧洲大陆的战略重要性。此外，2024年CERN与美国签署了一份联合意向声明，表达了美国在CERN成员国选择FCC作为其下一个主要设施后，愿意在FCC项目上进行合作的意向。
欧洲的选择
如今，CERN自豪地屹立在全球粒子物理学事业的中心。迈出下一步的责任可能落在欧洲肩上，但这个机遇属于所有曾好奇宇宙由何构成、为何呈现其现有结构的人们。数十年来，循序渐进的道路是正确的选择：升级现有设施，延长使用寿命，从现有隧道中榨取更多潜力——每一步都带来了实实在在的物理发现，HL-LHC也将带来更多。然而，渐进主义是当领域仍在决定下一步建造什么时的策略，而现在情况已不再如此。我们现在清楚地知道下一台机器必须做什么——依次推动能量前沿和精密前沿——并且学界已经确定了实现这一目标的优选路径。粒子物理学所提出的问题已有数千年历史。停止寻求答案，无异于熄灭一盏指引人类探索数千年的明灯。作者的职业生涯很可能在HL-LHC完成最后一次对撞时结束，她认为这是一种荣幸。她在SSC的阴影下进入这个领域，深知自己将无缘亲见那个能量前沿。她很可能以同样的方式离开——未能亲见下一个能量前沿。然而，重要的并非她是否能亲眼见证。重要的是，我们必须持续追求所有值得发现的事物，并建造出探索它们的工具，即使明知最终的发现可能属于后继者。正是这种信念——相信宇宙会回报好奇心——使我们不仅仅是物理学家，更是人类最古老事业之一的自觉参与者：理解我们所处宇宙的漫长努力。