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下一台大型强子对撞机花落谁家
来源:     作者:      2016-10-08 16:55       


大型强子对撞机是否发现了粒子物理学标准模型之外的现象还有待观察。图片来源:Harold Cunningham/Getty

这是粒子物理学的一个胜利,并且很多人渴望从中分得一杯羹。2012年,全球最大粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)发现希格斯玻色子一事促使日本科学家极力争取让该国成为LHC“继任者”所在地。

该机器将基于LHC取得的成功而建立,并将详细测量希格斯玻色子和其他已知或者很快将被发现的粒子的属性。

不过,在日前于美国芝加哥举行的国际高能物理大会(ICHEP)上进行的讨论表明,粒子物理学的下一步目前看来还不是那么确定。这在很大程度上取决于LHC是否揭示了超过粒子物理学标准模型的现象,以及中国建造LHC“继任者”的计划能否继续推进。

当日本科学家提议由该国建造国际直线对撞机(ILC)时,一组国际科学家已经拟定了它的设计图。ILC将使正负电子沿着31公里长的轨道进行对撞。相比之下,LHC只有27公里长,并且是让质子在位于欧洲粒子物理学实验室——CERN的一个环形轨道中对撞。

由于质子是由夸克组成的复合粒子,因此对撞会产生大量残骸。相反,ILC的粒子是最基本的,因此能提供更加清洁且更适于精确测量的对撞。这会揭示脱离预期行为的现象,从而指向标准模型之外的物理学。

对于物理学家来说,对希格斯玻色子和最重的顶夸克开展详细研究的机会,足以构成建造该设备的理由。日本文部科学省(MEXT)被期望在今年就该国是否建造该设施——将于2030年左右开始实验——作出表态。

不过,为MEXT提供建议的日本专家组去年表示,研究希格斯玻色子和顶夸克的机会不会单独成为建造ILC的理由。同时,它会等到定于2018年进行的LHC首次最大能量运行结束后再作决定。

日本高能加速器研究机构(KEK)总干事Masanori Yamauchi表示,这意味着该专家组尚未被建造ILC应当无须顾及LHC发现了什么的论据所说服。Yamauchi作为ICHEP专家组成员,参加了一场关于未来设施的研讨会。“这就是它们的声明背后隐藏的立场。”

如果LHC发现了新现象,它们将为ILC研究添加更多“素材”,并且将大大强化建造高精确度机器的理由。

美国物理学家早就支持建造直线对撞机。Yamauchi介绍说,由MEXT和美国能源部组成的联合小组正在讨论减少ILC开支的方法。目前,预估的ILC开支为100亿美元。虽然将开支减少约15%是合理的,但在正式同意建造ILC之前,日本还需要来自其他国家的资助承诺。

紧紧追随日本的是一个中国团队。在发现希格斯玻色子的几个月后,由中科院高能物理研究所所长王贻芳领导的一个物理学家团队提出了在本世纪30年代建造对撞机的计划。该对撞机也受到国际社会的部分资助,并且聚焦对希格斯玻色子和其他粒子进行的精确测量。

这台50~100公里长的环形正负电子对撞机不会达到ILC的能量,但它需要创建一个通道,使质子—质子对撞机(和LHC相似,但要大很多)以显著降低的成本建造出来。

王贻芳在ICHEP上介绍说,他和团队将继续研发该项目,同时其他筹资渠道也保持开放。目前,该团队计划集中精力提高国际社会对该项目的兴趣。

未来,利用中国正负电子对撞机作为大型质子—质子对撞机基石的选择会影响到CERN建造周长为100公里的环形机器计划。直到本世纪30年代中期,CERN将会一直忙于提高LHC质子束密度而非能量的升级。届时,中国或许已经有了建造质子—质子对撞机的合适通道,从而使CERN更难获得针对“超级LHC”的资助。

在ICHEP上,CERN总干事Fabiola Gianotti提出了一个过渡想法:通过到2035年左右建立新一代超导磁体,将LHC的能量加大到超出现有设计。Gianotti表示,这将有限提高LHC的能量——从14兆兆电子伏(TeV)增加到20 TeV。如果LHC在14 TeV发现了新的物理学现象,那么这将拥有强有力的科学证据。同时,其50亿美元的开支将由CERN常规预算之外的经费支付。(宗华)