Przyszłość fizyki cząstek w 100-kilometrowym tunelu pod Genewą

CERN, czyli Europejska Organizacja Badań Jądrowych, od dekad przewodzi światowej fizyce cząstek. Teraz zamierza postawić kolejny, jeszcze śmielszy krok. W ogłoszonym 31 marca 2025 roku studium wykonalności projektu Future Circular Collider przedstawia koncepcję budowy nowego akceleratora cząstek o imponującej długości 91 kilometrów. To ponad trzykrotnie więcej niż ma obecny Wielki Zderzacz Hadronów.

FCC ma umożliwić naukowcom zaglądanie w głąb rzeczywistości jeszcze dokładniej niż dotychczas. Jak podkreśliła dyrektor generalna CERN, Fabiola Gianotti, jeśli budowa FCC zostanie zatwierdzona, może stać się najpotężniejszym instrumentem do badania praw natury, jaki kiedykolwiek zbudowaliśmy. Nowy akcelerator ma być usytuowany na głębokości około 200 metrów pod ziemią, przechodząc przez terytorium Francji i Szwajcarii, a także pod Jeziorem Genewskim.

Projekt FCC ma zostać zrealizowany w dwóch etapach. W pierwszym naukowcy skupią się na zderzaniu elektronów oraz ich antycząstek — pozytonów. Dzięki temu możliwe będzie bardzo precyzyjne badanie bozonu Higgsa. To cząstka, której odkrycie w 2012 roku potwierdziło istnienie pola Higgsa – niewidzialnej "mgły", która nadaje masę wszystkiemu we wszechświecie.

Druga faza projektu przewiduje ponowne wykorzystanie tunelu FCC do zderzania protonów, podobnie jak ma to miejsce obecnie w LHC, ale z o wiele większą energią i dokładnością. Energia zderzeń ma sięgać 100 TeV, co oznacza ponad siedmiokrotny wzrost w porównaniu do obecnych możliwości Wielkiego Zderzacza Hadronów. Ma to pozwolić na poszukiwanie nowych cząstek i zjawisk wykraczających poza Model Standardowy, czyli obowiązującą dziś teorię opisującą budowę materii.

Ambitne plany oznaczają również gigantyczne koszty. Pierwszy etap projektu, obejmujący budowę tunelu i infrastruktury dla zderzacza elektronów i pozytonów, ma kosztować około 15,3 miliarda franków szwajcarskich, co odpowiada mniej więcej 17,4 miliarda dolarów. To niemal trzykrotnie więcej niż koszt budowy obecnego LHC. Finansowanie ma być rozłożone na około 12 lat, począwszy od wczesnych lat 30. XXI wieku, a większość środków ma pochodzić z obecnego budżetu CERN.

Harmonogram projektu jest szczegółowo zaplanowany. W 2025 roku zostało ukończone studium wykonalności, które teraz jest poddawane ocenie przez niezależnych ekspertów. W listopadzie 2025 roku raport zostanie przedstawiony Radzie CERN na specjalnym posiedzeniu. 

Ostateczna decyzja o budowie FCC ma zapaść około 2028 roku, po aktualizacji Europejskiej Strategii Fizyki Cząstek w 2026 roku. Jeśli projekt zostanie zatwierdzony, budowa może rozpocząć się na początku lat 30., a pierwszy zderzacz elektronów i pozytonów rozpocznie pracę w późnych latach 40. XXI wieku. Druga faza, z akceleratorem protonów, może wystartować nie wcześniej niż w latach 70.

Image

Projekt FCC nie jest jednak jedyną opcją rozważaną przez społeczność naukową. Głównym konkurentem jest International Linear Collider planowany w Japonii, który zamiast kolistego tunelu miałby liniową konstrukcję o długości około 20 kilometrów. Także Chiny pracują nad własną wersją dużego kolistego zderzacza – Circular Electron Positron Collider o obwodzie około 100 kilometrów, którego budowa planowana jest na drugą połowę lat 30.

Zwolennicy FCC argumentują, że projekt przyczyni się do rozwoju wielu technologii, które znajdą zastosowanie w medycynie, energetyce czy transporcie. Szacuje się, że realizacja projektu stworzy około 800 tysięcy miejsc pracy w przeliczeniu na osobolata, a samo uruchomienie pierwszego etapu ma wygenerować lokalny wpływ ekonomiczny przekraczający 4 miliardy euro. Przeciwnicy z kolei kwestionują, czy tak ogromne wydatki są uzasadnione, argumentując, że środki te można by przeznaczyć na inne, bardziej praktyczne badania naukowe.

Kluczowym wyzwaniem pozostaje kwestia oddziaływania na środowisko. Budowa tunelu wymagałaby wydobycia około 16,4 miliona ton materiału na przestrzeni pięciu lat. CERN opracował jednak plany ponownego wykorzystania znacznej części odpadów budowlanych, w tym przekształcenia ich w żyzną glebę dla projektów renaturyzacji czy wykorzystania wapienia do produkcji betonu.

Future Circular Collider reprezentuje największe wyzwanie inżynieryjne i naukowe w historii fizyki cząstek. Jego realizacja wymagałaby nie tylko ogromnych nakładów finansowych, ale także bezprecedensowej współpracy międzynarodowej. Od podjętej w 2028 roku decyzji będzie zależeć, czy Europa utrzyma swoją pozycję lidera w badaniach nad podstawowymi prawami rządzącymi wszechświatem, czy też palmę pierwszeństwa przejmą inne regiony świata.