210億歐元的超級對撞機!是否會改變人類物理的命運?

2020-12-23 遨遊世界科學

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近日,一則消息轟動了科學界:歐洲粒子物理實驗室計劃研製一臺100公裡長的機器來揭開希格斯玻色子的秘密!

為什麼這則消息會讓科學界那麼興奮呢?原因很簡單,它是人們探索自然、深入觀察宇宙微觀世界的最佳途徑。人們可以通過探索『粒子對撞機制』的成因,探索『超對稱』超額維度的存在,開發新材料,真正意義上地朝人類的未來邁進!

該計劃中的未來的環形對撞機(FCC)正是被提議的粒子加速器,100公裡長,這項決定於6月19日獲得歐洲核子研究中心理事會的一致贊同,此前該計劃已於3月獲得一個獨立小組的批准。歐洲卓越的粒子物理組織將需要全球的幫助來資助這個項目,預計耗資至少210億歐元,這將是實驗室著名的大型強子對撞機的後續行動。到本世紀中葉,這臺新機器將使電子與其反物質夥伴正電子相撞。這項設計將建在瑞士日內瓦歐洲核子研究中心附近的一個地下隧道裡,物理學家們將能夠研究希格斯玻色子的性質,之後將擁有一臺更強大的機器,能夠碰撞質子,並一直持續到本世紀下半葉。

如此大工程的對撞機顯然無法一蹴而就,這意味著歐洲核子研究中心現在可以在設計對撞機和研究其可行性方面投入大量精力,同時推動後置式對撞機的研發工作,為大型強子對撞機的後續設計提供替代方案,如線性電子正電子對撞機或加速μ子的對撞機。歐洲核子研究所總幹事法比奧拉·吉亞諾蒂在表決後對理事會說:「我認為,這是歐洲核子研究所和粒子物理學在歐洲及其他地區的歷史性一天。」

前歐洲核子研究中心主任克裡斯·盧埃林·史密斯說,這顯然是實驗室的「一個分支點」。直到今天,下一代對撞機還有其他幾個選擇,但歐洲核子研究委員會現在已經發表了一個明確的、一致的聲明。英國牛津大學(University of Oxford)物理學家盧埃林史密斯(Llewellyn Smith)說:「這是一個重大步驟,讓歐洲國家說『是的,這是我們希望發生的事情』。」

兩個階段

這項決定發表在一份名為「歐洲粒子物理更新戰略」的文件中。它概述了兩個發展階段。首先,歐洲核子研究中心將建造一臺電子-正電子對撞機,對撞能量進行調整,以最大限度地產生希格斯玻色子,並詳細了解它們的性質。

本世紀後期,第一臺機器將被拆除,並由質子質子粉碎機取代。這將達到100萬億電子伏特(TeV)的碰撞能量,而大型強子對撞機(LHC)的碰撞能量為16萬億電子伏特,後者也會碰撞質子,是目前世界上最強大的加速器。它的目標是尋找新的粒子或自然力,並擴展或取代目前的粒子物理學標準模型。最終機器所需的大部分技術尚未開發出來,將成為未來幾十年內深入研究的課題。

中國科學院高能物理研究所(IHEP)所長王一芳說:「我認為這當然是正確的追求方向。歐洲核子研究中心的決定證實了我們的選擇是正確的。」歐洲核子研究中心(CERN)提出的新機器在概念上類似於2012年大型強子對撞機(LHC)發現希格斯玻色子後,王建州率先提出的一項中國colllider的計劃。與歐洲核子研究中心現在的官方戰略一樣,王建州的提議還包括,按照大型強子對撞機的模式,在第二階段可能會安裝一臺質子對撞機(27公裡長的大型強子對撞機環。

在完全支持歐洲核子研究中心循環對撞機的同時,該戰略還要求該組織探索參與單獨的國際線性對撞機,這一古老的想法一直被日本物理學家所保留。日本仙臺東北大學(Tohoku University)的物理學家山本直樹(Hitoshi Yamamoto)表示,這種支持令人鼓舞。「我相信,國際法委員會在日本乃至全球採取下一步行動的條件現在已經牢固確立。」

資助

歐洲核子研究中心的戰略設想,2038年將成為新的100公裡隧道和正負電子對撞機建設的開始。在此之前,實驗室將繼續運行其現有對撞機的升級版本,稱為高亮度大型強子對撞機,目前正在建設中。

但是,在歐洲核子研究中心開始建造新的機器之前,它將不得不在從成員國獲得的經常預算之外尋求新的資金。盧埃林·史密斯說,歐洲以外的國家,包括美國、中國和日本,可能需要加入歐洲核子研究中心,組成一個新的全球組織。「幾乎可以肯定的是,它將需要一個新的結構,」他說。

這項耗資巨大的計劃甚至在物理學界也有反對者。德國法蘭克福高等研究所的理論物理學家薩賓·霍森費爾德(Sabine Hossenfelder)認為科學回報(除了測量已知粒子的性質)遠不能保證:「我仍然認為這不是一個好主意,現在進行這種研究沒有足夠的科學潛力。」

英國利物浦大學(University of Liverpool)物理學家塔拉希爾斯(Tara Shears)表示,新的對撞機將處於未知領域。儘管大型強子對撞機有一個明確的目標來尋找希格斯玻色子,以及理論家們有充分動機的理由相信在它可以探索的質量範圍內可能存在新粒子,但現在的情況不同了。

無論如何,如果我們的物理理論想要有所質變,那麼這臺機器將是人類未來物理界突破的基石!

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