全球最大粒子對撞機設計出爐,中國用它徵服宇宙

2021-01-19 新城商業APP


我寧願讓點點星火猛烈燃燒殆盡也不願任其幹腐。--傑克·倫敦


11月12日,中國「環形正負電子對撞機-超級質子對撞機」(CEPC-SppC)項目發布最新進展,據該項目牽頭單位中科院高能物理研究所介紹,超級質子-質子對撞機(SppC)的概念設計報告將於今年年底完成,該報告將回答該對撞機要解決哪些問題、如何建設、有何設計指標、有多大難度等問題。



CEPC-SppC 項目的主要推動者、中國科學院院士、中科院高能物理研究所所長王貽芳表示,他們希望通過5年的努力,解決裝置動工前的關鍵問題,爭取在「十四五」(2021-2025年)期間開建。


說到大型粒子對撞機就不能不提到美國的超導超級對撞機(Superconducting Super Collider,簡稱 SSC)和歐洲的大型強子對撞機(Large Hadron Collider,簡稱 LHC)。二戰結束後,在美國的推動下,高能物理領域的研究進入了快速發展時代。


實驗物理學家需要一個具有微觀宇宙功能的裝置來驗證自己的理論,而帶電粒子加速器就是高能物理研究的重要工具,加速器也經歷了從同步加速器到環形加速器再到對撞機的三次技術革命,其質心能量從MeV級到GeV級進而向TeV發展。



在粒子物理學中,標準模型是一套描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論,它是當前人類對自然界的一個基本物理理論。在二戰後二三十年的高能物理研究中,科學家已經解決了電磁力、強力和弱力是如何發揮和實現作用等問題,剩下的難題就是找到希格斯玻色子,該粒子是物理學標準模型當中最後一個待發現的粒子。


而建立大型粒子對撞機的目的,就是找到這個被稱為「上帝粒子」的物質。但是,大型粒子對撞機耗資巨大,SSC 的設計在1986年的年底完成,它的預算造價為44億美元,需要總統的批准。


當時承擔遊說隆納·雷根總統重任的是物理學家利昂·萊德曼,他於1988年憑藉發現μ中微子驗證輕子的二重態結構獲得了諾貝爾物理學獎,把希格斯玻色子成為上帝粒子也是他。白宮當時對 SSC 持反對意見,他們認為這個「天價」項目除了讓一夥物理學家高興之外,取得不了什麼成果。


面對一片反對之聲,萊德曼對裡根動之以情曉之以理,他把探索未知粒子與美國當年的西部大開發進行對比,科學需要短時間沒有回報的開拓精神。



或許是萊德曼的話打動了裡根,又或許是強烈的反對意見刺激了他,在1987年的 SSC 聽證會上,裡根念了美國作家傑克·倫敦在《人的職責是生活,而不僅僅是生存》裡的一段話,「我寧願自己的生命火花能以熊熊烈焰之勢燃燒殆盡,而不是在乾枯腐爛中窒息而滅」,SSC 項目獲得了批准,建造地點選在了德克薩斯州的埃裡斯縣。


然而,SSC 最終還是沒能等到發現上帝粒子的那一天,雖然它獲得了裡根、布希和柯林頓三屆總統的支持,但還是在1993年被國會叫停,停建時它已經挖掘了大約23公裡的隧道。


美國不得已只能將發現上帝粒子的接力棒傳到歐洲手裡,1994年,由34個國家以及超過兩千位物理學家所屬的大學與實驗室所共同出資合作興建的 LHC 項目正式啟動,它的建造地點位於瑞士和法國交界的侏羅山地下100米。



2008年9月,歷經十年建設,趟過無數事故和磨難的 LHC 終於進行了初次測試,中國的中科院高能物理研究所、中國科技大學、山東大學和南京大學等機構也參與了之後的多項 LHC 試驗。


2012年7月4日,歷時性的一天終於到來,歐洲核子研究組織(CERN)宣布,LHC 的緊湊渺子線圈(CMS)探測到了兩種極像希格斯玻色子的粒子。2013年3月14日,CERN正式宣布,先前探測到的新粒子是希格斯玻色子,物理學標準模型終於完成,基礎物理學的新時代開啟了。


那麼,探索宇宙奧秘的接力棒現在傳到哪裡了呢?2012年9月,中國科學家提出建造下一代環形正負電子對撞機(CEPC)並適時改造為高能質子對撞機(SppC)的方案。


其中,CEPC 的主要科學目標是利用質心系能量250GeV附近的正負電子對撞產生大量的乾淨希格斯粒子,進而通過它深入研究電弱對稱性自發破缺機制和質量起源等基本問題,尋找超出標準模型的新物理的線索。



當 CEPC 運行若干年後,可以在同一隧道內建設一臺50-100TeV的超級質子-質子對撞機(SppC),能量超過現在歐洲大型強子對撞機(LHC)的7倍。


SppC 的主要科學目標是通過高能質子對撞,尋找超出標準模型的新粒子和新物理現象,理解宇宙中暗物質和暗能量的本質等問題。中國的超級對撞機也遇到了當年 SSC 面臨的爭議,既有以菲爾茲獎得主、著名科學家丘成桐所代表的支持方,也有以諾貝爾物理學獎得主楊振寧代表的反對方。


作為普通人,我們可能難以理解高能物理背後的高深理論,但是作為無垠宇宙中的一粒微塵,向終極奧秘發起挑戰,大概是億萬年後證明我們曾經存在的唯一證據。最後,讓我們重溫一下傑克·倫敦的話:


I would rather be ashes than dust!

I would rather that my spark should burn out in a brilliant blaze than it should be stifled by dry-rot.

I would rather be a superb meteor,every atom of me in magnificent glow,than a sleepy and permanent planet.

The function of man is to live,not to exist.

I shall not waste my days trying to prolong them.

I shall use my time.



譯:我寧願是燃燒過後的灰燼也不願為地上的灰塵!

      我寧願讓點點星火猛烈燃燒殆盡也不願任其幹腐。

      我寧願做一閃而過的流星,讓每一點碎片都擦出火光,也不願做死寂         的恆星。

      人的職責是生活,而不是存在。

      我不會浪費時間試圖延長壽命。

      但,我會用盡生命中的每一秒。




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