歐洲也要建「希格斯工廠」,將與我國超大對撞機形成競爭

2020-12-05 騰訊網

◎ 科技日報記者 劉園園

當地時間6月19日，歐洲核子研究組織（CERN）理事會公布了2020版歐洲粒子物理戰略。該戰略將引領歐洲粒子物理的未來發展，並對全球粒子物理學領域產生重要影響。

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？中科院高能物理所研究員、環形正負電子對撞機（CEPC）加速器負責人高傑接受科技日報記者採訪，對此進行了專門解讀。

2020版歐洲粒子物理戰略公布

希格斯玻色子：解決最根本科學問題的突破口

最新版的歐洲粒子物理戰略確定，最高科學優先事項是研究希格斯玻色子以及探索高能物理前沿。

2012年，科學家利用歐洲核子研究組織的大型強子對撞機（LHC）發現了希格斯玻色子。這種粒子又被稱為「上帝粒子」。為何它成為最高科學優先事項？

粒子物理標準模型示意圖。圖片來源：中科院高能物理研究所官網

「希格斯玻色子是標準模型中最後一個，也是最重要的粒子。」高傑接受科技日報記者採訪時解釋說，希格斯玻色子被發現之後，粒子物理領域還面臨諸多重大挑戰，包括標準模型自然性、基本粒子的質量等級、物質-反物質不對稱性、中微子質量、暗物質本質等問題。

「希格斯場是標準模型中的質量之源，而且與上述問題有直接而深刻的聯繫。精確研究希格斯玻色子的性質，是國際公認解決這些最根本科學問題的最重要的突破口和途徑。」 高傑分析說。

「希格斯工廠」：建設下一個對撞機的首要任務

歐洲核子研究組織目前正將大型強子對撞機升級為高亮度大型強子對撞機（HL-LHC），並在未來10年內完成這一任務。根據該戰略，這一工作仍然是當前歐洲粒子物理領域的重點。

用於高亮度大型強子對撞機的超導電纜

2020版歐洲粒子物理戰略強調，需要尋求一個正負電子對撞機作為「希格斯工廠」，並使之成為下一步的最高優先設施，也就是建設下一個對撞機的首要任務。

這個正負電子對撞機「希格斯工廠」與當前的大型強子對撞機有何本質不同？

高傑介紹，大型強子對撞機是質子-質子對撞機，由於質子由若干夸克構成，而不是基本粒子，因此質子-質子對撞後在探測器中的背景非常複雜，不利於對與希格斯粒子相關的物理現象進行精確測量和研究。

「電子和正電子沒有內部結構，通過正負電子對撞機『希格斯工廠』，科學家可以對希格斯粒子的特性以及相關物理現象進行精確測量與研究。」高傑說。

CMS實驗捕獲希格斯粒子的示意圖

三大項目互相競爭：誰能拔得頭籌？

據介紹，高亮度大型強子對撞機預計將於2038年結束運行，而未來希望建設的正負電子對撞機可能在高亮度大型強子對撞機完成使命後10年之內開始運行，也就是2048年前開始運行。

「目前國際範圍內希望建造的正負電子對撞機『希格斯工廠』有以下幾個項目：中國的環形正負電子對撞機（CEPC）；日本希望在巖手縣承建的國際直線對撞機（ILC）；歐洲核子研究組織希望建造的正負電子對撞機。」高傑告訴科技日報記者。

歐洲大型強子對撞機

高傑介紹，這三個項目計劃建設和投入運行時間是不同的。中國科學家計劃CEPC在「十四五」期間開始建設，2030年左右投入運行；ILC計劃投入運行的時間在CEPC之後；歐洲的正負電子對撞機「希格斯工廠」投入運行時間在三個計劃中最晚。

「在國際合作之外，國際範圍內『希格斯工廠』的規劃、建設與運行也呈現出一種競爭格局。第一個啟動建設並投入運行的『希格斯工廠』自然會取得戰略主動地位和競爭優勢。」高傑認為。

兩步走路線圖：與我國高能物理發展思路吻合

從更長遠來看，2020版歐洲粒子物理戰略提出，歐洲粒子物理共同體還希望實現以可達到的最高能量運行的質子-質子對撞機。

歐洲大型強子對撞機的準直器

「歐洲粒子物理戰略是經過科學的程序，經過歐洲以及包括中國在內的世界各國粒子物理科學家充分討論，還經過歐洲相關國家政府部門具體研究，最終得出的符合粒子物理發展的長遠戰略，對物質科學的長遠健康發展具有重要意義。」高傑評價說。

高傑告訴記者，中國科學家於2012年希格斯粒子被發現後提出，在我國建造一臺周長100公裡的環形正負電子環形對撞機「希格斯工廠」，之後再建造一臺超級質子-質子對撞機（SppC）。

「歐洲粒子物理戰略與我國高能物理發展戰略思路是高度吻合的。」 高傑說。

來源：科技日報 文中圖片除標註外均來源於歐洲核子研究組織官網

編輯：陳可軒

審核：管晶晶

終審：冷文生

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