粒子物理学家们想要个更大的对撞机,欧洲核子

2019-12-11 06:58栏目:奥门新萄京娱乐场
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(文/Eugenie Samuel Reich)物理学家们计划建设一个新的加速器,它的轨道周长将达到100千米,运行能量将达到大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)的七倍。

近日,欧洲核子研究中心公布了建造新型加速器的大胆设想。作为目前全球最大的对撞机,大型强子对撞机(Large Hadron Collider, LHC)全长27 km,而最新拟建的加速器长度为LHC的近4倍,能量更是高达LHC的6倍。

当欧洲的大型强子对撞机(LHC)在2008年试运行的时候,物理学家们只想着怎么让这台价值50亿美元的机器运转起来,此外别无所求。到了2012年,LHC发现了希格斯粒子,完成了它最初的使命,于是物理学家们开始兴致勃勃地设计一台新机器——超大型强子对撞机(Very Large Hadron Collider,VLHC)。

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理论物理学家迈克尔·帕斯金(Michael Peskin)说:“仅仅是出于谨慎,就应该提前规划未来几十年。”帕斯金来自位于加州门洛帕克的斯坦福直线加速器中心(Stanford Linear Accelerator Center,SLAC),他于11月2日向美国政府的一个顾问小组展示了VLHC计划。

未来环形对撞机的效果图。 CERN 图

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坐落于瑞士日内瓦的欧洲粒子物理实验室CERN在1月15日发布的技术报告中给出了计划蓝图。

这台巨型机器将完胜它的所有前辈。以欧洲核子研究中心(Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire,CERN)位于瑞士日内瓦附近的粒子物理实验室LHC为例:在LHC中,质子碰撞的能量最多达到14TeV(万亿电子伏特),而VLHC能达到100TeV;LHC需要的隧道周长为27千米,而VLHC将达到80到100千米。在过去十年中,全世界都没有足够的经费来实现这个设想。然而在今年夏天的斯诺马斯会议上,数百位粒子物理学家云集明尼苏达州的明尼阿波利斯,制订粒子物理领域发展的长期规划,VLHC的计划脱颖而出。

报告披露了建造未来环形对撞机(Future Circular Collider, FCC)的几个初步设计方案。按照计划,未来环形对撞机将成为有史以来最强大的粒子粉碎机。不同类型对撞机的建造成本从90亿欧元(约合人民币689亿元)到210亿欧元不等。

一些物理学家提醒我们,VLHC只是粒子物理发展全球计划的一部分。其他重头戏包括:升级LHC,它从今年2月份关闭了,为了进行两年的维护升级,目标是将能量从7TeV提高到14TeV;在日本建一个国际直线对撞机,将电子束和正电子束进行碰撞,作为对LHC质子碰撞实验的补充研究;深入研究费米国立加速器实验室产生的高密度中微子束,这是美国的一个主要项目,实验室位于伊利诺斯州巴达维亚。伊利诺斯州芝加哥大学的粒子物理学家乔纳登·罗斯纳(Jonathan Rosner)认为,这些即将开展的项目才应该成为大家关注的焦点。他说:“现在就只聚焦在VLHC还为时过早。

CERN在“欧洲粒子物理战略更新”(European Strategy for Particle Physics Update)中确定了若干优先级领域,其中也包括这一公开招标项目。该计划将在未来两年内推进,预计会对粒子物理学从现在到本世纪下半叶的发展都产生深远影响。

粒子物理学家对VLHC的兴趣在某种程度上体现了他们正在回归传统:不断追求更高的能量,以寻找构成万物的基本单元。

Gian Francesco Giudice说道:“这是一次巨大的飞跃,就好像一场跳过火星,直奔天王星的星际旅行”。Gian Francesco Giudice是CERN理论部门的负责人,代表了战略更新计划的物理预备组实验室。

粒子物理学家还需要证明这一切是值得的。希格斯粒子的发现为希格斯场论提供了支持,理论认为,一些粒子之所以具有质量,是因为它们与一个无处不在的、蜂蜜般粘稠的希格斯场发生了相互作用。但这个发现的其他方面仍然令人费解,例如希格斯粒子的质量为什么这么大。超对称理论提供了一种可能的解释,它认为在更高的能量级上,每个已知粒子都有对应的质量更大的粒子。尽管LHC还没有发现任何支持超对称理论的证据,帕斯金仍然希望能够在十年内发现一点线索,以进一步完善超大型对撞机的设计。

自从2012年LHC发现希格斯玻色子以来,它还没有发现任何新的粒子。Giudice说,这表明我们需要尽最大可能提高对撞机的工作能量。“今天,为了能破解大自然中最根本的奥秘,人类最大的希望就是通过这类大胆计划去探索尽可能高的能量。”

尼玛·阿卡尼-罕默德(Nima Arkani-Hamed)也是VLHC计划的支持者之一。他是新泽西州普林斯顿高等研究院的理论物理学家,将于12月到北京参加高能物理前沿研究中心的揭幕式。他说,这个研究中心的使命之一就是探索未来的质子对撞机的研究方向。剑桥麻省理工学院的加速器物理学家威廉·巴勒塔(William Barletta)也认为,这些工作对加速器的设计起着关键作用,设计出一个能最大限度地发挥科研经费的价值的加速器。他说:“我们不会纸上谈兵。”

作为欧洲战略更新计划的负责人,以色列特拉维夫大学的物理学家Halina Abramowicz表示,未来环形对撞机的潜力“非常令人激动”。她说,未来环形对撞机的潜力也将作为该计划的一部分进行深入开发,并与其他拟议项目进行比较。

巴勒塔补充说,要建一个100TeV能量级的加速器,物理学家还需要研制更强大的超导磁体,它能够承受的磁场强度要从目前的14特斯拉提高到20特斯拉左右。铌锡合金有望成为制作超导磁体的新材料,它能承受较强的磁场,但是价格昂贵,并且需要在18开尔文(约合-255摄氏度)的低温下工作。(译注:电流会在导体中产生磁场,如果超导材料中的磁场强度超过了它的临界值,材料将变为普通导体。)

CERN理事会包括来自CERN各成员国的科学家和政府代表,他们将就是否为该项目提供资金给出最终决定。

CERN也有与VLHC相似的研发计划。CERN加速器物理学家迈克尔·本尼迪克特(Michael Benedikt)领导一项关于“超高能量大型强子对撞机”的研究,实验在日内瓦湖下方进行。研究的基本参数和VLHC的设想相同,即加速器周长为80到100千米,碰撞能量100TeV。本尼迪克特希望,加速器将于2020年后投入建设,在LHC于2035年永久关闭后及时接班。他说:“在高能物理的道路上,没有人愿意出现一个空白时期。”他补充说,目前还没法估计项目预算。不过其他物理学家猜测,为了获得政治上的支持,新一代粒子对撞机的成本要低于100亿美元。

太烧钱?

本文编译自Nature:Physicists Now Want a Very Large Hadron Collider

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然而并非所有人都认为超级对撞机是一项很好的投资。德国法兰克福高等研究院的理论物理学家Sabine Hossenfelder说:“目前没有理由让人确信在对撞机能达到的更高能量区间内一定会出现新的物理突破。这是每个人心中既害怕又逃避的噩梦。”

Hossenfelder说,将这一项目需要的大笔资金用来建造其他大型设施,也许可以获得更大的回报。比如说,在月球背面设置一台大型射电望远镜,或者在空间轨道上放置一个引力波探测器。就科学收益而言,这些方案都比对撞机更靠谱。

领导未来环形对撞机的CERN物理学家Michael Benedikt说,无论有什么预期成果,超级对撞机都有建造价值。“这类超大规模的建设项目可以有效推动学术交流,连接世界各地的研究机构。这些都是建设这类独特科学项目的好理由。”

但Hossenfelder也承认,其他大科学项目也可以套用类似论点。

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