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)。

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。

这句话里提到了两个物理学前沿名词:一个是 Large Hadron Collider
大型强子对撞机,常被物理学家简称为 LHC ;另一个则是 Higgs boson
particle
,希格斯玻色子,常被戏称为“上帝粒子”。 Sheldon
这句话的意思是说,他认为自己快要弄清楚 LHC
尚未发现上帝粒子的原因了。那么,上帝粒子是什么, LHC
又为什么要去找它呢?

LHC是目前全球最大、能量最高的粒子加速器,它通过埋入地下100米深、总长27公里的超导磁铁加速并碰撞粒子,可在微观尺度上还原宇宙大爆炸后的宇宙初期形态,帮助科学家研究宇宙起源并寻找新粒子。

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。

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。

在《生活大爆炸》第 5 季第 4 集里,Sheldon
养成了一个新的习惯:所有跟生活琐事相关的决定,他都改用掷骰子的方法来决定。虽然骰子
“掷” 出的决定经常让 Sheldon
很无语,但至少成效还是让他满意的:在坚持了几个星期之后,他不仅在重量级期刊上合作发表了两篇论文,还夸口说:
“I’m close to figuring out why the Large Hadron Collider has yet to
isolate the Higgs boson particle”。

CERN还将开启LHC的加速系统,从而使每个质子流束的能量从450千兆电子伏特增加到6.5TeV,并且将这些质子流束“挤压”到更狭窄的通道中,从而为接下来的碰撞做准备。

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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。

“上帝粒子”—— ATLAS
探测器模拟的希格斯粒子衰变艺术效果图。(来源:ummwhat /
higgsboson.tumblr.com)

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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。

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。

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《中国科学报》 (2015-04-07 第2版 国际)

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。

即便粒子物理学家一致认为有必要建造100
km长的对撞机,但应该建一台还是两台尚无定论。无论哪一方的项目先行,都会取得抢占先机的优势。王贻芳相信哪台对撞机建成之后都会向国际社会开放实验平台,所以就将要完成的科学目标而言,花落谁家都一样。

经过好几代物理学家的努力,到上世纪 70 年代,人们发现自然界的 4
种基本作用力中,除引力以外,其他 3
种都可以用同一个理论来统一描述。这个理论被粒子物理学家称为 “标准模型”
,它把当时已知的所有亚原子粒子都纳入到了一套优雅的体系之中,并据此预言了不少未知的粒子。

在对撞机停机期间,CERN强化了对撞机的1万个超导磁铁连接点,安装了超导磁铁保护系统,同时改进增强了制冷、真空及电子系统。随着今夏将以13TeV的质子束流总能量运行,LHC实验将探索希格斯玻色子机制、暗物质、反物质等更多未知领域。

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。

强子对撞机只比超导超级对撞机(Superconducting Super Collider,
SSC)长15%。上世纪90年代,位于美国得克萨斯州的超导超级对撞机由于成本原因在建造中途惨遭抛弃。由于技术上的进步,特别是用于控制质子在环中轨迹的磁铁技术方面的突破,
这项计划中的强子对撞机运行能量有望达到当时超导超级对撞机的预计运行能量的两倍以上。

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一旦CERN的科学家能够很好地了解他们的机器如何运行,研究人员将会增加在超导磁体环中被压缩的质子束数量。

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。)

但Hossenfelder也承认,其他大科学项目也可以套用类似论点。

随着实验物理学家把加速器越造越大,标准模型预言的未知粒子全都在实验中现身,只有
Sheldon 提到的希格斯玻色子仍然 “在逃”
。这种粒子涉及一种复杂机制,能给大多数已知的基本粒子赋予质量——换句话说,它是物质的质量之源,因而又被称为
“上帝粒子”。

来自瑞士日内瓦附近欧洲粒子物理实验室——欧洲核子研究中心的研究人员利用这一间隙对LHC进行了升级,从而使其能够在更高能量下运行,并完成更大强度的碰撞试验。

(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。

王贻芳也在中国领导了一个类似的项目,他认为两者在科学目标和技术可行性方面都是重合的。他特别指出,先进行电子-正电子对撞再转向强子对撞是自然选择。

大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)正是物理学家寻找 “上帝粒子”
所作的最新尝试。 LHC
本质上是一个超大型的粒子加速器,能把质子加速到前所未有的超高能量,再让两束这样的质子迎头相撞。

CERN在一份公报中说,LHC于当地时间5日上午10时41分发射出第一束质子束流,另一束相反方向的质子束流于5日中午12时27分发射,两束质子束流循环的注入能量为0.45万亿电子伏特。

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