歐洲粒子物理追求全球化方向

新的歐洲粒子物理計劃提出了未來直線對撞機的國際化合作路線。圖片來源：KEK

更新後的歐洲粒子物理計劃，或許為該領域的研究提供了一個全球化的方向。

歐洲粒子物理計劃曾經僅為歐洲的物理學家提供研究方向；而5月30日出臺的更新後的歐洲粒子物理計劃，或許為該領域的研究提供了一個全球化的方向。

更新後的計劃建立在2006年制定的原始戰略的基礎上。可以預見的是，它的首要側重點是充分開發全球最大的原子加速器——位於瑞士日內瓦附近的歐洲粒子物理實驗室（CERN）的大型強子對撞機（LHC）。2010年，LHC開始收集數據，去年探測到科學家孜孜不倦追求的希格斯玻色子——這種粒子對於解釋為什麼其他基本粒子具有質量這一問題至關重要。

有所側重

更重要的是，更新後的戰略首次明確指出，歐洲願意加入其他大型項目的研究，即使這些項目位於北美或是亞洲。CERN總幹事Rolf-Dieter Heuer說：「一旦它們有一個明確的計劃，歐洲願意參與其他地區的研究項目。」Heuer也是歐洲戰略集團的成員，該組織負責制定更新後的計劃。

更新後的計劃可能造成巨大的影響。最近，有一些小型的實驗和粒子物理學家的課題集中在3個龐大的項目上。第一個項目是LHC，研究人員計劃將該項目持續到2030年，希望發現其他的新粒子。第二個項目是近十幾年來，科學家一直希望建造一臺30公裡長的國際直線對撞機（ILC）。ILC是一臺超高能量的正負電子對撞機，讓物理學家有能力深入研究LHC新發現的任何一種粒子。第三個項目是科學家致力於開展一個比現有實驗規模更大的研究。中微子是一種極難被探測到的粒子，該實驗旨在研究3種類型的中微子如何從一種類型轉變成另一種類型——通常稱為中微子振蕩，這將有助於解釋宇宙中的物質數量為何遠遠超過反物質。

但是由誰來建造美國研究人員一直想「據為己有」的ILC項目，物理學家們尚未達成一致。2008年，美國能源部（DOE）表示無法負擔該項目50%的資金份額——約為70億美元。之後，許多科學家認為，CERN是建造該設施的合適選址。然而去年，日本官方表達了對開展該項目的興趣——2011年日本東北部海嘯重建基金中的一部分資金將被用於ILC項目。中微子物理學方面的研究則更加迷霧重重：日本、歐洲及美國的物理學家都希望開展大型的中微子實驗。

更新後的歐洲粒子物理計劃中的兩部分內容或許能夠理清這些情況。關於直線對撞機，文件中提到：「日本粒子物理學界希望在日本啟動ILC項目的舉措是大受歡迎的。歐洲期待日本方面的提案，以討論歐洲如何參與其中的事宜。」關於中微子物理學，文件中提到：「歐洲應該探索在美國和日本實施的長基線中微子項目中成為主要參與方的可能性。」

歡迎合作

有意參與國外項目的理念，有助於探索出粒子物理學更廣泛的全球性方案。人們可以設想，把領域內各個信息點連接起來，例如，日本建造了ILC，美國開展了大型中微子實驗。當然，迄今為止，沒有任何人敢擔保，日本政府真的能拿出數十億美元，投資ILC項目。

然而，更新後的戰略無異於為美國科學家的長基線中微子實驗（LBNE）計劃打了一針強心劑。LBNE實驗將利用3.4萬噸液態氬——儲存在南達科他州裡德附近廢棄的霍姆斯特克礦地下1480米處——探測從1300公裡外的伊利諾州巴達維亞費米國家加速器實驗室發出的中微子束。

然而，2012年3月，DOE表示，很難為這項實驗計劃提供19億美元的經費，進而要求以更低的成本開展該實驗。紐約州阿普頓布魯克海文國家實驗室的物理學家兼LBNE合作項目共同發言人Milind Diwan說，物理學家目前計劃在霍姆斯特克礦表面，建造由1萬噸液態氬構成的探測器，總花費為8.67億美元。為了使實驗能順利進行，探測器必須建造在地下以避免宇宙射線的幹擾。目前，LBNE的研究人員和費米實驗室的官員正在尋求其他國家對該項目的出資。

歐洲的參與以及隨之而來的資源，使LBNE成為世界級的開拓性實驗。然而，LBNE的研究人員可能仍覺得自己陷在困境中。Heuer說，只有在美國承諾開展第一流實驗的前提下，歐洲才願意參與其中。主動權掌握在美國手中。Diwan認為：「LBNE要想成為世界頂級的項目，意味著它要建立於在地下建造實驗設施的想法上。歐洲希望美國這次作出點舉世矚目的成績。如果這是個處在衰退中的、所獲投資甚少的實驗，歐洲不會選擇參與。歐洲希望美國承擔起這一領域的研究重任。」

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粒子加速器是用人工方法產生高速帶電粒子的裝置，是探索原子核和粒子的性質、內部結構和相互作用的重要工具，在工農業生產、醫療衛生、科學技術等方面也都有重要而廣泛的實際應用。目前主要有以下幾類粒子加速器。

同步加速器：它的主導磁場是隨時間改變的，以保證帶電粒子在恆定軌道上迴旋。為此，磁鐵做成環形的，可使磁鐵重量減輕。加速電場是交變的，其頻率隨著帶電粒子迴旋頻率的改變而改變，以保證諧振加速。同步加速器既能加速電子，稱為電子同步加速器；又能用於加速質子，稱為質子同步加速器或同步穩相加速器。用於加速重離子的同步加速器，顧名思義應稱為重離子同步加速器。

回旋加速器：又稱為微波回旋加速器，專門用於加速電子。這一類型的加速器中，軸向磁場是均勻的，加速電場的頻率也是恆定的，而所不同的是讓加速間隙位於磁極的一端，電子的軌道為一系列與加速間隙中心線相切的圓。電子每迴旋一圈，就被加速一次，只要迴旋周期等於加速電壓周期的整數倍，就有可能進行諧振加速。電子回旋加速器的能量都不是很高，最大的也不過幾十兆電子伏特，束流強度為30～120微安，大多數用於醫療和射線劑量學等方面。

環形加速器：被加速的粒子以一定的能量在一圓形結構裡運動，粒子運行的圓形軌道是由磁偶極所控制。和直線加速器不一樣，環形加速器的結構可以持續地將粒子加速，粒子會重複經過圓形軌道上的同一點，但是粒子的能量會以同步輻射方式發散出去。

直線加速器：帶電粒子在直線中加速，運行到加速器的末端。較低能量的加速器例如陰極射線管及X光產生器，使用有約數千伏特直流電壓（DC）差的一對電極板。在X光產生器中，靶本身就是其中一個電極。（實習生 段歆涔）

來源：中國科學報