對撞機大解碼!科學家一直激辯的大對撞機竟然是「高富帥」

2021-01-19 科技日報



從左至右,王貽芳,楊振寧,丘成桐。

9月4日和5日,網絡上掀起一場關於中國是否應該建造大對撞機的爭論,丘成桐和高能物理學家王貽芳發文力挺大對撞機,而楊振寧和評論家王孟源則明確反對。為什麼對撞機越建越大?高能物理學家期待的大對撞機又能做些什麼?


對撞兩粒橙子籽兒,不那麼容易

你真正感興趣的是兩粒橙子的籽兒能撞出來什麼,但你得用兩個橙子去撞,結果是汁液四濺,碎屑橫飛,亂七八糟啥也看不清。

對撞機,顧名思義,專門製造「天雷地火大碰車」。兩輛大貨車全速撞在一起必然是火星四濺零件兒亂飛。科學家驅趕基本粒子使之迎面對撞,能量比大貨車還高得多。科學家製造車禍現場,越慘烈他們越高興——殘片甩出來,趁機測一測有什麼新奇的零件兒沒有。

之所以基本粒子能夠具備比大貨車還高的能量,是人們「加速」出來的,所以對撞機也叫加速器。運動的粒子帶電荷,人類可以用強大的電磁場(為此得研發先進的超導技術)讓它們改變速度,跑得更快。就好像一匹馬被放進跑道,有個馴馬員不停抽它,就越跑越快。反方向的兩束粒子,最終迎面碰頭撞出世間萬象。


當初歐洲的大型強子對撞機(LHC)還沒運行的時候,有傳言說它弄不好會撞出一個黑洞來毀滅地球。這說法也不是沒邊兒沒沿兒,因為巨型對撞機的確志在製造出媲美宇宙大爆炸的能量密度。

為了用電磁場加速,對撞機用的都是有電荷的粒子:質子和反質子,電子和反電子。如果要用質子,用強電場加在氫氣上,質子和電子就剝開了。如果要用電子,則是利用電子管的原理:加熱一些材料,讓電子跑出來。而反質子和反電子的獲取就麻煩一點,可能要用到雷射。這些粒子被製造出來後,會在一個磁場圈兒裡慢慢跑著,等要撞了,再放進「賽道」。

對撞機原理雖然簡單,但想要監測撞出的粒子卻很麻煩。有個物理學家比喻說:你真正感興趣的是兩粒橙子的籽兒能撞出來什麼,但你得用兩個橙子去撞,於是汁液四濺,果肉果皮的碎屑橫飛,亂七八糟啥也看不清。

所以LHC這樣的大傢伙,成為了史上生產最多數據的機器。絕大多數數據是無用的,找出精華就像稻草堆裡找銀針。


超越一個大獲成功的模型,路在何方?

為了超越標準模型,一些學者把目光轉向和弦理論有緊密聯繫的超對稱粒子,希望建造更大的對撞機,實現更高能量的碰撞。

目前最成功地描述微觀世界秩序的,就是「標準模型」了。自然界有四種基本力,強力、弱力、電磁力和引力。格拉肖1961年提出了弱力和電磁力統一的模型;1967年,溫伯格和薩拉姆在格拉肖模型的基礎上,借鑑希格斯的方法,提出了弱電統一規範理論;他們幾位也是標準模型的奠基人。

標準模型描述了電磁、強作用、弱作用相關所有現象,也給組成物質的基本粒子分了類,將粒子分成費米子和玻色子。費米子是組成物質的,包括電子、夸克和中微子等等,玻色子則傳遞力,包括光子、介子和膠子等等。


當希格斯粒子被LHC發現後,標準模型預言的61個粒子都被證實了。而甚至在希格斯粒子被發現之前,已經沒人挑戰這個極為符合現實的理論框架了。然而,物理學家仍然覺得有缺憾。因為標準模型中沒有引力的位置,它不是描述萬事萬物的「大統一理論」。標準模型也不能解釋暗物質,它不能解釋我們觀察的宇宙中的物質和反物質為何不對等,它也不能解釋宇宙為什麼暴脹。

為了超越標準模型,高能物理界的希望之星是弦理論。丘成桐和威滕等數學界菲爾茲獎的獲得者,都對弦理論做過貢獻。弦理論把各種粒子看作是弦的表現形式,這種理論看起來是一種包羅萬象的、有潛力的更高框架。但目前弦理論還沒有做出具體的預測,不能被實驗證實或證偽,因此它想成為相對論、量子力學一樣的成功理論還需時日。而弦理論與被廣為接受的物理學相同的是,它在數學上別具魅力,不論它是否描述我們身處的宇宙。目前,弦理論的大本營是在高能物理的傳統中心美國。

理論的曙光一般來自實驗,很多高能物理學家希望建造更大的對撞機,實現更高能量的碰撞。其中一些學者就矚目於標準模型之外的超對稱粒子,這種超對稱粒子和弦理論有相當緊密的聯繫。

美國費米實驗室的Tevatron粒子加速器曾被寄予希望,但這臺2TeV能量的機器並未發現超對稱粒子;能量高出一個數量級的LHC,目前也沒有找到超對稱粒子存在的證據。


LHC之後還有誰?各想主意

大對撞機因為耗資巨大,在任何地方開建都會引起財政爭論。目前中、日兩個項目都還在研究籌備中。ILC升級版似乎頗有希望通過,但也需要海量投錢,前途未卜。

對撞機大概分兩種:一種用電子去對撞,優點是電子結構簡單個頭兒小,撞出來碎片兒比較少,方便科學家看清楚,缺點是它喜歡一邊兒跑一邊兒輻射能量,老洩氣兒跑不快;另一種質子對撞機,長處和短處與電子對撞機相反。美國費米研究室還提出一種想法,用μ子去撞,但大量製造μ子有困難,現在還沒實現。

目前,歐洲核子研究組織正探討升級LHC的超導磁體,將LHC的能量上限從14TeV提至20TeV。但高能物理學家已將目光投在LHC之後:一個方案是日本的國際直線對撞機(ILC),另一個是中國的環形正負電子對撞機(CEPC)以及預想中的質子對撞機(SPPC)。

目前兩個項目都還在研究籌備中。升級ILC似乎頗有希望通過。當然它也需要海量投錢,前途未卜。日本將在今年做出決定。如果要建,2030年開始運行。預算是100億美元。根據設計,正負電子沿著31公裡長的直線通道對撞(LHC則是在27公裡的環形通道內用質子對撞)。

中國提出的方案,是在50—100公裡的地下環形通道內建造正負電子對撞機。正負電子對撞機只有0.24—0.35TeV,但如果用它的隧道來增建質子對撞機,能建成比LHC高一個數量級的大對撞機。這臺質子對撞機的預算應該不亞於ILC。

高能物理學家想依靠下一代對撞機首先解決希格斯粒子的謎團,比如LHC測出的希格斯子的質量為何如此小?作為標準模型的基礎,希格斯子的質量本來被算得相當大。這也成為突破標準模型發現新物理的一個方向。

大對撞機因為耗資巨大,在任何地方開建都會引起財政爭論,美國甚至在1993年將已經投資20億美元的大對撞機拉下馬來。目前,日本和中國的方案懸而未決,其前途必然要考慮LHC還能有哪些重要成果,以及對高能物理學前景的判斷了。


相關焦點

  • 中國科學院高能物理研究所科學家們尋夢「大對撞機」!
    (以下簡稱中科院高能物理所)實驗物理中心學習的曾浩向中國科學院院士、諾貝爾獎得主楊振寧提問:「您現在對我們建造環形正負電子對撞機(CEPC)的想法有沒有改變?」阮曼奇研究員中國科學院高能物理研究所的研究員阮曼奇等科學家則強烈主張建造新一代大型對撞機。
  • 中國到底要不要建造上千億對撞機?對撞機的能級大沙漠存在嗎?
    美國的SCC項目也因為諸多科學家的反對而被腰斬了,被腰斬的時候,美國已經投入了20億美元以上,這相當於我國一整年的航天投入。LHC布局為什麼美國要砍掉這個項目,因為20億美元僅僅只是挖了對撞機的一個坑道,預計後期還要投入130-180億美元,再加上眾多專業科學家的反對,所以美國國會寧願損失這20億美元也要砍掉這個計劃,不僅如此,美國還下令填埋已經挖好的坑道
  • 什麼是對撞機?當年楊振寧反對的巨型對撞機有什麼作用
    至於我們要建設的對撞機可以說是電子對撞機,那麼為什麼要建設一個機器讓電子相撞呢?因為在超過上百種的粒子中,還有很多粒子成員難以讓科學家發現,哪怕我們周圍都是電子,要找出其它粒子比挖礦還難,如果讓兩個電子以接近光速的速度對撞,就能更容易發現它們。
  • 粒子對撞機
    為了看得更遠,人類建造了各種各樣的射電望遠鏡,而為了尋找更小的基本粒子和弄清它們的性質,科學家們便建造了巨大的粒子對撞機,試圖通過對撞粒子得到粒子的碎片。於是上世紀50年代,挪威的科學家提出同時加速兩束粒子讓它們在一處相撞可以實現更高能的對撞實驗。每一次進行對撞實驗,對撞機需要粒子加速器利用電場將粒子束加速後注入對撞機的真空室,由於單束粒子的能量密度較低,遠遠達不到粒子對撞實驗的要求,就需要不斷地向真空室中注入,累積高強度的脈衝粒子束。
  • 歐洲將地下粒子對撞機與大型強子對撞機相連
    今天,為未來的圓形對撞機(FCC)發布了概念設計報告。FCC是一種地下粒子對撞機,將與日內瓦附近現有的大型強子對撞機(LHC)相連。大型強子對撞機自2008年首次啟動以來,這臺周長27公裡的粒子對撞機一直在以高達13 TeV的能量將質子碰撞在一起,以尋找新的粒子。2012年,物理學家宣布他們發現了質量為125gev的希格斯玻色子。
  • 大型強子對撞機(LHC)接下來會發現什麼?
    無論可能性如何,大型強子對撞機一直在向如下這些近期或長遠目標努力。大型強子對撞機的一些發現成果或許會啟發理論學家統一這些理論,甚至是所有理論。然而,即使是世界上最強大機器所實施的最複雜物理學實驗,大統一理論都是一個長遠目標。  大型強子對撞機是一條27公裡長的環形隧道,位於法國與瑞士邊境地面之下。高能粒子在大型強子對撞機中高速運行並相互對撞。這種撞擊會產生新型粒子,但是這些新粒子存在的時間非常短。
  • 英科學家:對撞機重啟或揭示高維空間
    原標題:英科學家:對撞機重啟或揭示高維空間  新華網倫敦4月8日電(記者張家偉)在兩年的停機維護和升級後,歐洲大型強子對撞機已正式重啟。參與這一項目的英國科學家說,在對撞機第二階段運行中,所得結果也許會揭示宇宙中可能存在的高維空間。
  • 世界需要對撞機
    恰在這時,瑞典科學家古斯塔夫·伊辛利用漂移管上加高頻電壓來加速粒子的理論救了他。在伊辛的基礎上,維德羅造出了世界上第一臺直線加速器,遞交了一份合格的畢業答卷。維德羅的工作是在一項核物理研究進入關鍵階段的大背景下完成的,因此意義非凡。
  • 為什麼物理學需要大型強子對撞機以外的粒子對撞機?科學家這樣說
    當大型強子對撞機在2008年啟動時,它被設計用來尋找標準模型的最後一個堅守者:希格斯玻色子,但是它還沒有解開其他謎團。這些粒子軌跡來自於2014年歐洲大型強子對撞機的一次高能碰撞。大型強子對撞機上令人難以置信的探測器能夠重建粒子的構成,以及它們在接近碰撞點時的表現。很簡單,我們所知道的每個粒子的屬性都是有規則的。
  • 粒子對撞機一旦失敗,真的會誕生黑洞嗎?科學家給出答案
    眾所周知,當兩輛高速行駛的汽車在同一直線上相向對撞的話,汽車就會破損,產生大量碎片,並且相對速度越大,產生的碎片就越多,畢竟撞擊的也越厲害。而在科學領域中,有一種機器名為「粒子對撞機」,它的工作原理和汽車對撞大同小異。
  • 歐洲決定重啟人類對大粒子對撞機!中國是否跟進?
    最近,虎哥一直在關注大型強子對撞機技術,隨後虎哥發現,位於歐洲核子研究中心的那臺人類迄今為止,建造過的最大的粒子對撞機,即將於2021年5月重啟,並且一直運行到2024年年底!為什麼說「重啟」呢?因為在此之前,這臺大型強子對撞機出於大規模升級的目的,長期都處於停機狀態。要知道,歐洲核子研究中心粒子對撞機的重啟,對於無數科學家而言,都是一項非常值得期待的事情,因為正是這臺機器,在2012年的時候發現了被稱為「上帝粒子」的希格斯玻色子,並且引起了全世界科學家的關注!
  • 歐洲強子對撞機啟動 毀滅地球說引熱烈爭論(圖)
    10日,隨著第一束質子束流貫穿整個對撞機,標誌著歐洲盒子研究中心大型強子對撞機正式啟動,為人類了解宇宙邁出了重要一步。各國科學家在為多年的心血歡呼雀躍的同時,「對撞機實驗撞出黑洞並毀滅地球」的恐慌言論隨即出現並引起熱烈爭論。對撞機實驗到底是造福人類還是毀滅地球,網絡上也開始了質疑與對辯,甚至有人為此自殺。
  • 210億歐元建更強粒子對撞機,為何楊振寧極力反對中國建對撞機?
    這半世紀裡,立下汗馬功勞的除了粒子科學家,還有造價動輒十億百億的高能粒子加速器。能量更高的對撞機,意味著什麼?大型對撞機其實可視為特殊的粒子加速器。加速器並不是什麼稀奇的東西,電視和電腦顯示器的顯像管,從原理來說,就是小型電子加速器。但像LHC這類高能粒子加速器,世界僅此一臺。
  • 210億歐元建更強粒子對撞機,為何楊振寧極力反對中國建對撞機?
    LHC全稱「大型強子對撞機」(Large Hadron Collider),是目前規模最大的粒子物理實驗機器,FCC正是LHC的繼任者。2012年,科學家通過LHC對撞實驗,證實希格斯玻色子存在,補上粒子物理學「標準模型」最後一塊也最重要的拼圖。「標準模型」是微觀現象的物理學基本理論,用於解釋物質世界的基本構成及相互作用。
  • 對撞機為何 越來越「高大上」?
    目前的世界大型粒子對撞機尺寸對比(中國的BEPC正負電子對撞機最小,但未來建立的CEPC環形虛線區域則最大)   9月4日和5日,網絡上掀起一場關於中國是否應該建造大對撞機的爭論,丘成桐和高能物理學家王貽芳發文力挺大對撞機
  • 中國建造大型粒子對撞機到底值不值?
    最近,科學家的一個問題引起了熱議,那就是中國是否應該建造自己的大型粒子對撞機?這個問題之所以能夠引起熱議,最主要的原因之一是中國偉大的科學家楊振寧先生在公開場合多次表達出強烈的反對意見。可能許多人認為,這件事情與我們平民百姓毫無關係,甚至還不曾聽聞此事。
  • 「大型勃起對撞機」:英《每日電信報》強子對撞機現超雷人筆誤
    上周五,著名的英國《每日電信報》在報導大型強子對撞機時出現了嚴重筆誤,在他們網站的新聞頁面上,大型強子對撞機(Large HaDRon
  • 解碼「對撞機」:為什麼越建越大? 能做些什麼?
    目前的世界大型粒子對撞機尺寸對比(中國的BEPC正負電子對撞機最小,但未來建立的CEPC環形虛線區域則最大)  9月4日和5日,網絡上掀起一場關於中國是否應該建造大對撞機的爭論,丘成桐和高能物理學家王貽芳發文力挺大對撞機
  • 解碼「對撞機」:為什麼越建越大、能做些什麼
    圖為發現希格斯玻色子的大型強子對撞機LHC  目前的世界大型粒子對撞機尺寸對比(中國的BEPC正負電子對撞機最小,但未來建立的CEPC環形虛線區域則最大)  9月4日和5日,網絡上掀起一場關於中國是否應該建造大對撞機的爭論,丘成桐和高能物理學家王貽芳發文力挺大對撞機
  • 中國該不該建對撞機?一個對撞機要花200億美元,楊振寧強烈反對
    引言《大學》寫道:「修身、齊家、治國、平天下,」這是古代讀書人所追求的最高境界,也是現今許多科學家努力研究探索的人生價值,許多科研人才都是抱著「為中華之崛起而讀書」的念頭埋頭科研,為促進國家科學技術的進一步發展而努力奮鬥著。