科學家造了個“練兵場”！在真實機器上不敢試的，都來這里冒險

2026年3月，美國伊利諾伊州的費米實驗室里，一個不太起眼的環形裝置悄然完成了一件意義深遠的事：第一批質子束流，在IOTA儲存環中成功加速并穩定循環。

它的速度大約是光速的7%，每秒繞行數萬圈。從純粹的物理參數看，這與歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）相比不過是小巫見大巫，后者能將質子加速到光速的99.9999991%。但費米實驗室的科學家們并不在意這個數字，因為FAST/IOTA從一開始就不是為了創造速度紀錄而生的。它的使命，是弄清楚下一代超級加速器究竟該怎么造、怎么開。

費米實驗室加速器研究部主任喬納森·賈維斯把FAST/IOTA稱為"探索高風險、高回報想法的自由地帶"，這個定位相當準確。

全球那些真正肩負粒子物理使命的大型加速器，例如費米實驗室自己的主環或是CERN的LHC，每一分鐘的停機都意味著數十乃至數百個正在進行的物理實驗被迫中斷。在這類機器上測試未經驗證的新技術，風險高得讓人望而卻步。FAST/IOTA的存在，就是為了解決這個矛盾，它是一臺專門用來試錯的"練兵場"。

在此次質子束流升級之前，FAST/IOTA主要使用電子束開展研究，并積累了不少成果。2022年，團隊在《自然》雜志上發表了一項里程碑式的成果，首次實驗驗證了"光學隨機冷卻"技術，即利用粒子束自身發射的光來降低束流發散度，這被視為加速器物理領域數十年來最重要的突破之一。

現在，隨著新型質子注入器的安裝調試完成，FAST/IOTA具備了電子和質子雙束流能力，相當于從"練輕器械"升級為"全項目訓練"。這臺注入器將一個低壓質子源與射頻四極加速器集成在一起，能夠向IOTA環輸送高強度束流，為研究人員提供在真實工況下測試各種新技術的條件。

工程物理學家特雷·湯普森解釋了這套系統的靈活性："我們可以隨時關機、拆換環路中的某個部分、安裝新實驗，完全不受大型生產設施的那些常規約束。"

這種靈活性，在粒子物理實驗界是相當罕見的奢侈品。

這次升級帶來的另一個重大變化，是人工智能在加速器運行中扮演的角色正在急劇擴大。

賈維斯透露，FAST/IOTA目前大約一半的研究項目都與AI應用直接相關。團隊正在構建能夠精確復現真實機器行為的高保真數字孿生系統，也就是一臺虛擬加速器，用來訓練AI模型優化束流性能、發現人類工程師可能忽視的新配置方案。關鍵之處在于，這些在仿真環境中找到的優化策略，可以直接在真實的物理裝置上進行驗證。

工程物理學家奇普·埃德斯特羅姆分享了一個具體案例：團隊使用了一類將質子源視為"黑箱"的優化算法，不需要理解系統內部的每一個細節，只需根據輸出性能數據持續調整運行參數，最終顯著提升了質子源的輸出效率。這種方法在工業界早已成熟，但將其系統性引入粒子加速器運行，在費米實驗室的規模上還屬于開創性嘗試。

這一切努力，最終都指向同一個目標：為正在建設中的PIP-II項目做好技術儲備。PIP-II是費米實驗室耗資數十億美元的質子加速器升級工程，建成后將為"深地中微子實驗"（DUNE）提供全球最強的中微子束流。DUNE的探測器被安置在南達科他州地下1500米深處，預計將在2030年代開始收集數據，目標是解答宇宙中物質與反物質不對稱的根本謎題。

更長遠地看，FAST/IOTA積累的技術和運行經驗，也將為美國科學院2023年報告中提出的下一代高能量粒子對撞機提供基礎支撐，那份報告明確呼吁美國主導建造全球能量最高的粒子對撞機。

賈維斯在一份聲明中說道，這是一個十多年前開始的愿景的實現。從第一批質子束流在儲存環里邁出第一圈的那一刻，這個愿景開始有了重量。