...第三座「希格斯工廠」要來了,誰將率先揭開「上帝粒子」奧秘?

2020-11-30 雷鋒網

「希格斯工廠」已成為國際高能物理領域的共同目標，是國際科學領域所要攀峰的珠穆朗瑪峰。

近日，中科院高能物理所研究員、環形正負電子對撞機（CEPC）加速器負責人高傑在接受《中國科學報》採訪時這樣回答。

當地時間 2020 年 6 月 19 日，歐洲核子研究組織（CERN）理事會公布「2020 歐洲粒子物理戰略」，確定了首先建設一臺正負電子希格斯（Higgs）工廠、再建一臺高能質子對撞機的路線圖。

這一戰略意義深遠，不僅將為歐洲粒子物理的發展起到指導作用，在全球粒子物理學領域也將對中國、日本和歐洲「希格斯工廠」建設的競爭局面產生影響。

神秘的上帝粒子

什麼是對撞機？什麼是「希格斯工廠」？一切都要從希格斯玻色子說起。

物理上習慣將一種遵循玻色-愛因斯坦統計、自旋量子數為整數的粒子稱為玻色子。

1964 年，有三組研究人員幾乎同時地獨立研究出一種「希格斯機制」並發表論文，英國物理學家、希格斯玻色子提出者彼得·希格斯（Peter Higgs）就在其中一組。

1964 年的這三篇論文，在世界物理學頂級學術期刊《 物理評論快報 》50 周年慶祝文獻裡被公認為裡程碑論文。

在當時的論文中， 基於希格斯機制，Peter Higgs 預言了希格斯玻色子的存在。

雖然學界傾向於認為其預測結果準確無誤，但預測只是預測，最終還是要經過論證。直至 1980 年代，希格斯玻色子存在與否，已成為粒子物理學最重要的未解難題之一。

希格斯玻色子的神秘性，從它的別稱「上帝粒子」中便可略知一二（據說希格斯玻色子在大爆炸之後的宇宙形成過程中扮演了重要角色）。

正所謂，工欲善其事，必先利其器。

1994 年，為確認或排除希格斯玻色子的存在，歐洲核子研究組織（CERN）立項了大型強子對撞機（LHC）。

雷鋒網了解到， 對撞機是在高能同步加速器基礎上發展起來的一種裝置，其原理是通過前級加速器注入的兩束粒子流進行對撞，從而產生足夠高的相互作用反應率，以測量高能粒子。

14 年後，這一全球 80 多個國家近萬名科學家的心血結晶正式建成。

終於，持續了近半個世紀的難題有眉目了。

2012 年 7 月 4 日，歐洲核子研究組織（CERN）舉行專題討論會與新聞發布會宣布，LHC 緊湊 μ 子線圈發現了質量為 125.3±0.6GeV 的新玻色子，標準差為 4.9；超環面儀器發現質量為 126.5GeV 的新玻色子，標準差為 4.6。

不少學者認為這兩個粒子可能就是希格斯玻色子。

2013 年 3 月 14 日，歐洲核子研究組織（CERN）發布新聞稿表示，先前探測到的新粒子正是希格斯玻色子，消息一出，世界震驚。

希格斯玻色子的發現取得了重大進展，不過科學家們對微觀世界的探索依舊在繼續。

近幾年，LHC 也經歷了幾次停機維護和重啟。

因此，歐洲核子研究組織（CERN）開始考慮升級 LHC 了——2019 年 8 月 1 日，歐洲核子研究組織（CERN）透露，LHC 的「繼任者」高光度 LHC（HL-LHC）已開始建造。據了解，其亮度將比 LHC 高 5-10 倍，從而大大提升了性能。

實際上，這也是歐洲核子研究組織（CERN）「2020 歐洲粒子物理戰略」的其中一項內容。

2020 歐洲粒子物理戰略

在了解「2020 歐洲粒子物理戰略」涉及到哪些內容之前，還是先來簡單了解一下歐洲核子研究組織（CERN）。

在粒子物理學界，歐洲核子研究組織（CERN）的地位可以說是舉足輕重。

CERN 成立於 1954 年，位於瑞士日內瓦近郊地區，是世界上最大型的粒子物理學實驗室。CERN 通過提供粒子加速器等基礎設施，支持國際間的合作實驗，旨在滿足高能物理學的研究需要。據百度百科介紹，CERN 聘用的員工大約佔了世界粒子物理學圈子的一半。

與此同時，CERN 也是全球資訊網（www）的發源地，設有資料處理能力很強的大型電腦中心協助實驗數據的分析，可供各地研究員使用。

雷鋒網(公眾號：雷鋒網)從歐洲核子研究組織（CERN）官網了解到，「2020 歐洲粒子物理戰略」的更新計劃於 2018 年 9 月啟動，當時 CERN 理事會成立了歐洲戰略小組（ESG）以協調戰略制定過程。2019 年 5 月，歐洲戰略小組在西班牙格拉納達舉行的公開研討會上共得到了近 200 份意見書。2020 年 1 月，在德國為期一周的起草會議上，最終達成了一致意見。

受疫情影響，原定於 5 月 25 日在布達佩斯宣布的「2020 歐洲粒子物理戰略」推遲至 6 月 19 日宣布。

具體來講，「2020 歐洲粒子物理戰略」的最優先事項是對「希格斯玻色子」的研究和對高能前沿的探索，這也是解決粒子物理學中懸而未決的問題的兩種關鍵而又互補的方法。

為此，成功完成高光度 LHC 仍是未來十年內歐洲粒子物理學的重點。

在高光度 LHC 之後，CERN 認為有必要優先開發一種作為「希格斯工廠」的電子-正電子對撞機，即未來環形對撞機（Future Circular Collider）。該對撞機的建造工作將在高光度 LHC 完全開發後的 10 年內開始，預計將於 2038 年完成運行。

此外，歐洲方面也計劃就下一代強子對撞機，開展國際合作，進行技術和財務可行性研究，這將是一項更為長遠的目標。

同時，這一戰略也建議歐洲繼續支持日本和美國的中微子項目。另外也將關注天體粒子和核物理等相關領域的合作項目。

CERN 總幹事 Fabiola Gianotti 表示：

這項戰略雄心勃勃，它以審慎、漸進的方式勾勒出歐洲和 CERN 光明的未來。 我們將繼續投資 CERN 及其成員國與其他研究機構之間的合作項目。這些合作是科技持續進步的關鍵，能帶來很多社會效益。

值得一提的是，上述項目除了能促進粒子物理領域的研究，也有很廣泛的社會影響。

其一，加速器、探測器和計算的進步將對生物醫學技術、航空航天應用、文化遺產、人工智慧、能源、大數據和機器人等領域產生重大影響。

其二，與大型研究基礎設施的合作有助於推動工業創新。

其三，從人力資本角度來看，上述項目培養的科學家、工程師、技術人員和專業人員也為工業和社會其他領域提供了人才。

中日歐三方競爭

上述戰略中，CERN 提到了「希格斯工廠」。

2017 年，基礎物理學突破獎得主、中國高能物理研究所所長王貽芳院士曾表示：

希格斯玻色子的發現，使我們看到了一種可能，那就是建設周長 100 公裡的環形正負電子對撞機，也就是「希格斯工廠」。

目前，國際上有三個「希格斯工廠」項目——我國的超級質子對撞機（CEPC-SPPC）、日本的國際直線對撞機（ILC）、歐洲的未來環形對撞機（FCC）。

2012 年 9 月我國提出的 CEPC-SPPC 項目分兩步，一期工程為 CEPC，能量達 120GeV，可作為希格斯工廠；二期工程為 SPPC，能量將達到 25~45TeV。

雷鋒網注意到，就歐洲提出的戰略，中科院高能物理所近日也在官網發布新聞稱：

這份歐洲粒子物理戰略確定了先建設一臺正負電子希格斯（Higgs）工廠，再建設一臺高能質子對撞機的路線圖。這和我國高能物理學界倡議的環形正負電子對撞機-超級質子對撞機（CEPC-SPPC）設想是高度一致的。

就歐洲最近公布的戰略，王貽芳院士在接受《中國科學報》採訪時也表示：

歐洲是目前國際粒子物理最重要的一支力量，CERN 確定的研究方向、目標和路線圖，對整個國際粒子物理發展會有巨大影響。不過，歐洲粒子物理戰略中的決定並不讓人吃驚。過去幾年裡，大家已經公認希格斯粒子的研究是未來高能物理發展的最主要目標。不令人吃驚是因為我們可能是最早講這句話的人。

【王貽芳在大亞灣中微子實驗站檢查設備】

無疑，中、日、歐三方的競爭局面已然形成，對此，王貽芳院士也表示：

我們的優勢在於，跟歐洲比，我們走在前面；跟日本比，我們的性能更優越，即使我們比他們建成得晚一點也不會有太大問題。三方各自都有一定的優勢，我們很難說我們一定能勝出。最終誰能勝出，取決於各個國家對這件事情的支持，看誰能在時間上走在前面。

引用來源：

https://home.cern/news/news/physics/particle-physicists-update-strategy-future-field-europe

http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2020/202006/t20200620_5609587.html

https://www.sohu.com/a/403391752_115479?_f=index_pagerecom_9

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  • 被稱為上帝粒子的希格斯玻色子,到底有多「玄」?
    希格斯玻色子（或稱希格斯粒子、希格斯子、上帝粒子）是粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子，至今尚未在實驗中觀察到。它也是標準模型中最後一種未被發現的粒子。英國物理學家希格斯提出了希格斯機制。在此機制中，希格斯場引起自發對稱性破缺，並將質量賦予規範傳播子和費米子。
  • 什麼是「上帝粒子」,為何揭開它,就能解開宇宙終極奧秘
    因此只要我們解開一種力的奧秘，都能夠讓我們的文明實現更高一階的跨越。除了重力與磁場力，其實我們宇宙當中還存在兩種力，強力與弱力，如果要解釋這兩種力，就必須要提及「上帝粒子」。上帝粒子又稱為希格斯玻色子，它是由彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒等在內的6位物理學家，在1964年提出的。
  • 上帝粒子—希格斯玻色子
    在粒子物理高能粒子物理的微觀粒子中『玻色子是可以與費米子對稱耦合』形成可測量的『實粒子』，希格斯粒子是希格斯玻色子的『反粒子』希格斯場的場量子化激發產生希格斯實粒子，它通過自相互作用的介質而獲得質量。  希格斯玻色子是因物理學者彼得•希格斯命名，物理學家利昂•萊德曼無意中為希格斯玻色子起了「上帝粒子」這麼一個名字。
  • 希格斯玻色子為什麼被稱為上帝粒子?讓我們來了解一下上帝粒子
    本期我們來聊一聊希格斯玻色子。希格斯玻色子為什麼被稱為「上帝粒子」呢？這就要從它的起源說起了，希格斯玻色子是英國物理學家彼得·希格斯於1964年提出的。其實彼得·希格斯並不喜歡「上帝粒子」這個名字。希格斯玻色子被稱為「上帝粒子「是諾貝爾物理學獎獲得者利昂·萊德曼無意中為希格斯玻色子起的。雖然科學家們不喜歡這個名字（因為這個名字帶有很濃厚的宗教色彩），但這個名字卻廣為流傳，人們一提起希格斯玻色子就會想到「上帝粒子」這個詞。
  • 為什麼說希格斯----上帝粒子是一場精心的騙局
    （PeterHiggs）及比利時的恩格勒特（Francois Englert），兩人將平分800萬瑞典克朗（963萬港元）獎金。英國的物理學家希格斯早年提出了希格斯場和希格斯粒子【又名希格斯玻色子、上帝粒子】，希格斯認為宇宙裡到處充滿著希格斯場，希格斯場無處不在，是一種只有能量沒有靜止質量的場。宇宙萬物在希格斯場中遊弋，使宇宙萬物產生了質量。而自旋為零的希格斯玻色子是希格斯場的量子振蕩激發。根據希格斯機制，假如希格斯玻色子被實驗證實存在，則希格斯場應該也存在，而希格斯機制也可以被確認為基本正確。
  • 歐洲也要建「希格斯工廠」,將與我國超大對撞機形成競爭
    這份歐洲粒子物理戰略提出近期和長期的發展願景：即先建設一個正負電子對撞機作為「希格斯工廠」，未來再建設高能質子-質子對撞機。 如何看待最新版的歐洲粒子物理戰略？歐洲計劃建設的「希格斯工廠」，對我國高能物理科學家希望建設的超大對撞機有何影響？
  • 希格斯玻色子為什麼被稱為「上帝粒子」?
    我們通常認為由於希格斯玻色子賦予了傳遞短程力的玻色子（弱力和強力的傳播子）以質量，所以才構成了原子核的穩定。這種重要意義不亞於上帝創世。所以我們應該將希格斯玻色子命名為「上帝粒子」來彰顯其重要性。但事實遠非如此，上帝粒子最早起源於已故科普作家—萊昂·萊德曼在1993年出版的科普著作《上帝粒子》的書名。
  • 解讀諾貝爾物理學獎:眾望所歸的「上帝粒子」
    粒子物理的一大步 希格斯玻色子的自旋為零，是物質的質量之源，其他粒子受其作用產生慣性，最終形成質量。希格斯玻色子是宇宙形成的基礎，被科學界譽為「上帝粒子」。 對於諾貝爾物理學獎花落「上帝粒子」，中科院院士陳和生表示：「全世界物理學家期盼已久，兩位科學家獲獎眾望所歸。」
  • 上帝粒子「惡毒」本性 原稱「該死的粒子」
    瞧，宇宙已經足夠涼爽，它的可靠而忠實的使者——希格斯場已經有了活力。在希格斯場的影響下，粒子開始從場中吸允能量，逐漸變大；同時，作用力和作用力的傳遞者也開始增多…… 　　上帝被深深地打動了，情不自禁地大笑起來。不過，很快地，他又強壓笑容，招來了希格斯，帶著責備的口吻說道： 　　「你為什麼要破壞世界的對稱性？」
  • 希格斯粒子與標準模型的最後疑問
    希格斯粒子假如被發現了，粒子的標準模型達到圓滿成功，那麼依然有更多的疑問：第一，發現希格斯粒子，只是穩固了既有理論體系的基礎，證明了標準模型理論的可靠性。可是粒子標準模型依然是不完整的，而在標準模型的基礎上，科學家尋求最終的大一統的物理理論，還有很長的路要走。
  • 科學家希格斯系上帝粒子奠基者 低調與固執並存
    48年前，當彼得·希格斯提出，宇宙間有一種粒子是萬物質量之源時，學界一片驚疑；2012年7月4日，當歐洲核研究組織宣布發現一種與「上帝粒子」「一致」的亞原子粒子時，希格斯說，「難以置信」。英國科學家希格斯今年已83歲，4日應邀出現在歐洲核研究組織位於日內瓦的總部。
  • 2013諾貝爾物理獎:希格斯玻色子為什麼又叫上帝粒子?
    標準模型是粒子物理學的核心理論，它描述了我們可見宇宙的基本粒子及它們之間的基本相互作用力，它屬於量子場論的範疇，兼容量子力學和狹義相對論。標準模型將基本粒子分成兩大類：一類是費米子，它組成了物質，它具有半整數的自旋並遵守泡利不相容原理；另一類是玻色子，它負責傳遞各種作用力，它擁有整數自旋且並不遵守泡利不相容原理。
  • 天使粒子浮出水面 那麼獲得諾貝爾獎的上帝粒子可以用兩個字來描述...
    發現希格斯玻色子希格斯玻色子是粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子，它也是標準模型中最後一種未被發現的粒子。英國物理學家希格斯（P.W.Higgs）提出了希格斯機制。在此機制中，希格斯場引起自發對稱性破缺，並將質量賦予規範傳播子和費米子。希格斯粒子是希格斯場的場量子化激發，它通過自相互作用而獲得質量。
  • 被稱為「上帝粒子」的希格斯玻色子,有什麼神奇之處?
    上帝粒子真正的專業名詞叫希格斯玻色子。對物理學家來講，這是不必要的誇張。彼得 希格斯(Peter Higgs)—因其在亞原子粒子質量方面的研究而獲得諾貝爾獎——將其稱為「物理學最基本的粒子」。不管是不是上帝粒子，這一發現都是開創性的，也許是我們短暫歷史上最重大的發現之一。
  • 【經典】追尋「上帝粒子」
    發布會之後，7月11日開幕的歐洲科學論壇網站上，作為演講者之一的歐洲核子中心主任霍耶爾（Rolf-Dieter Heuer）的名字被推到最醒目的位置。霍耶爾之前，一直是新聞不斷的明星生物學家克裡格·文特爾佔據著頭條。　　沿用利昂·萊德曼在科普書裡的叫法，媒體喜歡稱希格斯粒子為「上帝粒子」。
  • 希格斯確信發現「上帝粒子」 —新聞—科學網
    彼得·希格斯  半個世紀前將基本亞原子粒子的存在理論化的物理學家們確信，最新數據證明他們的研究一直是正確的。 以彼得·希格斯的姓名命名的「希格斯玻色子」(即「上帝粒子」)是瑞士大型強子對撞機長期以來的實驗目的。他周二在接受記者採訪時說，他確信去年7月發現的粒子正是他1964年預測的粒子。 他說：「我認為它將被證明是(希格斯玻色子)，但現在的問題是還需要獲取更多信息。」
  • 「上帝粒子」找到了!
    位於瑞士與法國邊界的歐洲核子研究中心4日宣布，根據最新的初步研究成果，科學家們發現了一種新的粒子，但這種粒子的特性還有待進一步確定。 歐洲核子研究中心沒有明確證實新發現的粒子就是物理學界長期尋找的被稱為「上帝粒子」的希格斯玻色子。但是這一發現顯然對於粒子物理學的研究具有十分重要的意義。
  • 探索上帝粒子與質量起源
    到了 2013年夏天，國際高能物理界一致預期 2013年的諾貝爾物理學獎發給希格斯粒子或者希格斯機制 (亦稱 BEH機制 )已經沒有任何懸念，具體問題是頒發給誰：是理論家？還是實驗家？還是兩者的組合？此疑難的謎底終於由瑞典皇家科學院在 10月 8日揭曉：弗朗索瓦 •恩格勒和彼得 •希格斯。