大型強子對撞機十年:故事還未結束 - 電子,質子,粒子,大型強子對撞...

北京時間1月2日消息，據國外媒體報導，早在2008年，世界上最強大的粒子加速器——大型強子對撞機（LHC）——射出了第一道質子束。十年之後的今天，或許我們應該好好評估一下從這一龐大設施中獲取的成果，以及它未來的發展方向。

對LHC的評估包括未來可能進行的研究，以及可能建造的新實驗設施，在其內部碰撞的粒子能達到遠高於LHC的能量。目前可能已經有兩種或三種可能的LHC替代方案。那麼，就讓我們盤點一下十年來所達到的成就，以及未來的目標。

大型強子對撞機是世界上最大的粒子加速器設施，主要部分是位於法國和瑞士邊界地下長度達27公裡的圓形隧道。

LHC的故事既令人振奮又一波三折。在運行的最初幾天裡，這臺儀器的巨大磁鐵發生了災難性的損壞；隨後，它從這場悲劇中鳳凰涅槃，獲得了一些激動人心且頗有說服力的發現，包括希格斯玻色子的發現。英國理論物理學家彼得·希格斯（Peter Higgs）和比利時物理學家弗朗索瓦·恩格勒（Francois Englert）因為這一發現而獲得了諾貝爾獎，他們在半個多世紀之前就預言了這種粒子的存在。讓全世界的新聞媒體都報導粒子物理學的新聞是很不可思議的，但希格斯玻色子的發現做到了這一點。

尋找新物理學

物理學家同樣既緊張又興奮，都在等待他們希望得到的意外發現。在將近半個世紀的時間裡，科學家已經對亞原子物質有了目前主流的理論理解。這種理解被稱為粒子物理學的標準模型。

該模型解釋了物理學家觀察到的常規物質分子和原子——甚至迄今為止觀察到的最小的已知構件——的行為。這些粒子被稱為夸克和輕子，其中夸克存在於質子和中子內部，而質子和中子構成了原子核；電子則是最常見的輕子。標準模型還解釋了除引力之外所有已知力的行為。這是相當了不起的科學成就。

然而，標準模型並不能解釋理論物理學中的一切。它不能解釋夸克和輕子為什麼似乎能存在於三個不同的，但幾乎相同的類別中。這種分類稱為「代」（generation），為什麼是三代，不是二代或四代，或20代？標準模型也不能解釋為什麼我們的宇宙完全由物質組成，對愛因斯坦的相對論最簡單的理解已經指出，宇宙中應該包含等量的反物質。

標準模型不能解釋為什麼對宇宙的研究表明，由原子組成的常規物質只佔宇宙物質和能量的5%，其餘部分被認為由暗物質和暗能量組成。暗物質是一種只受到引力，而不受到其他基本相互作用影響的物質形式，而暗能量是一種充斥宇宙的排斥性引力形式。

在LHC的首次運行之前，一些物理學家希望通過對原子的轟擊，可以幫助解答這些令人費解的問題。解決這些難題時最常被引用的理論是超對稱。該理論指出，所有已知亞原子粒子都具有對應的「超對稱」粒子。這些粒子反過來可以為暗物質和其他難題提供解釋。然而，物理學家還未發現任何超對稱的證據。更重要的是，LHC的數據已經排除了那些包含超對稱性的最簡單理論。那麼，LHC取得了哪些成果？

碩果纍纍的LHC

除了希格斯玻色子外，LHC還為4個大型實驗合作項目提供了大量數據，產生了超過2000篇科學論文。在LHC內部，粒子以高於費米實驗室兆電子伏特加速器（Tevatron，又稱為正負質子對撞機）6.5倍的能量相互碰撞。在此之前，兆電子伏特加速器曾是世界上運行能量最高的粒子對撞機，而在保持了25年之後，LHC終於取而代之。

對標準模型的試驗具有重要意義。任何一個測量結果都可能與預測不吻合，而這就可能帶來新的發現。然而，試驗的結果顯示，標準模型是一個非常好的理論，它可以對LHC的碰撞能量做出準確的預測，就像此前對兆電子伏特加速器所做的預測一樣。

那麼，這是一個問題嗎？非常認真地說，答案是否定的。畢竟，科學家更多的是試驗並拒絕錯誤的新想法，而確認正確的觀點也同樣重要。

另一方面，不能否認，科學家在發現此前未曾預計會出現的新現象時會更加興奮。這類發現推動了人類的知識發展，最終甚至可能改寫教科書。

故事還未結束

那麼，現在是什麼情況？LHC已經告訴我們全部的故事了嗎？並不能這麼說。事實上，研究人員期待著對設備的改進，這將有助於他們研究以目前技術還無法解決的問題。LHC在2018年12月初關閉，接下來兩年將進行改造和升級。2021年春，當這臺加速器恢復運行時，雖然能量只是略有提升，但每秒的撞擊次數將加倍。考慮到未來計劃中的升級，LHC的科學家目前僅記錄了3%的預期數據。雖然篩選所有試驗結果需要許多年時間，但目前的計劃是記錄比迄今為止所記錄數據多30倍的數據。隨著如此大量的數據陸續出現，LHC還有很多故事可以講述。

雖然LHC可能還將運行20年，但現在也可以很合情合理地提問：「下一步是什麼？」粒子物理學家正在考慮建造一個後續的粒子加速器來取代LHC。作為LHC的延續，一個可能性是以令人難以置信的能量——100TeV，遠高於LHC設計最高的14TeV——使質子碰撞。不過，達到如此驚人的能量需要做到兩件事：首先，我們需要建造強度更大的磁體，要比LHC用來推動粒子的磁體強大兩倍，這一點很有挑戰性，但是應該可以實現；其次，我們需要建造另一條隧道，與LHC的隧道類似，但通道大3倍以上，其圓形隧道周長接近100公裡，大約是LHC隧道的4倍。

但是，這條龐大的隧道將在哪裡建造呢，它究竟會是什麼樣？有哪些粒子束會以怎樣的能量碰撞？這些都是很好的問題。目前的設計和決策過程還無法給出答案，但有兩個非常龐大而且成就很高的物理學家群體正在思考這些問題，他們各自提出了新加速器的設想。其中一個主要由歐洲的研究小組提出的方案是，希望建造一個另一個大型的加速器，地點很可能位於日內瓦郊外的歐洲核子中心（CERN）實驗室。

研究人員的一個想法是，這個新加速器將使一束電子和反物質電子碰撞。由於質子束和電子束在加速時的差異——電子束會在圓形結構中比質子束失去更多的能量——這束電子將使用約98公裡的隧道，但是會以比使用質子束時更低的能量。另一個建議是，還是用同樣的98公裡隧道來碰撞質子束。一個折中的建議是重新啟用目前LHC的隧道，但使用更強大的磁體。這個選項雖然只是讓LHC目前能達到的碰撞能量加倍，但卻是一種成本較低的替代方案。

另外一個方案主要由中國科學家倡導，即建立一個全新的設施，地點可能在中國。這個加速器的隧道周長也將在98公裡左右，而它將進行電子和反物質電子的碰撞，到2040年再轉變為進行質子-質子碰撞。

目前這兩個潛在方案還處於討論階段。最終，提出這些方案的科學家必須找到願意為此提供資金支持的政府或團體。在此之前，科學家還需要確定建立新設施所需要的能力和技術。兩個物理學家群體最近都發布了廣泛和詳細的文字材料，闡述了他們的設計。這些還不足以實現他們的設想，但已經足以比較未來預計的實驗成果，並能開始整合出可靠的成本預測。

研究前沿知識是一項艱巨的任務，從夢想建造如此大規模的設施，到設施的最終關閉，其間可能要經歷數十年。在我們紀念LHC第一束粒子撞擊十周年之際，回顧成就並展望未來是很有必要的。隨著技術發展，下一代科學家將會有更多的數據來獲得更激動人心的發現，我們也將揭開大自然更多的迷人奧秘。