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粒子物理

花210亿欧元建更大的粒子对撞机,欧洲为什么要做这事?

捕获希格斯玻色子后,“标准模型”完整了,但这不是粒子物理的终点。

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发布于 7月19日

在探寻“上帝粒子”和暗物质的路上,欧洲又往前走了一步。

2020 年 6 月 19 日,欧洲核子中心全票通过了《2020 欧洲粒子物理战略》。该战略决定,未来最高优先级别的事情,是研究希格斯玻色子(即“上帝粒子”)和高能量前沿探索。

为此,欧洲核子研究中心通过了一项决策,计划建造一台耗资 210 亿欧元的高能物理实验机器——未来环形对撞机(Future Circular Collider,FCC)。

这是一项长期计划。2013 年《欧洲粒子物理战略》更新时,就开始进行概念设计研究,打算建造一台比 LHC 能量更高的环形对撞机。

LHC 全称“大型强子对撞机”(Large Hadron Collider),是目前规模最大的粒子物理实验机器,FCC 正是 LHC 的继任者。

2012 年,科学家们通过 LHC 上的对撞实验,证实了希格斯玻色子存在,补上粒子物理学“标准模型”中最后一块也是最重要的 “拼图”。

“标准模型”是微观现象的物理学基本理论,它被用于解释物质世界的基本构成及其相互作用。

这个理论认为,希格斯玻色子是“质量之源”。其他粒子通过和希格斯玻色子相互作用,才能产生质量,接着有了引力,最终形成宇宙和生命。因此,希格斯玻色子有另外一个广为人知的称号:“上帝粒子”。

从 20 世纪 60 年代“标准模型”被提出,到 2012 年希格斯玻色子被捕获,花费了 50 年时间。在这半个世纪里,立下汗马功劳的,除了粒子科学家们,还有造价动辄上十亿百亿的高能粒子加速器。

能量更高的对撞机,意味着什么?

大型对撞机其实可被视为一种特殊的粒子加速器。加速器并不是什么稀奇事物,电视和计算机显示器的显像管,从原理上来说,就是一台小小的电子加速器。但像 LHC 这样的高能粒子加速器,世界上唯此一台。

在加速器里,科学家们将(带电)粒子加速到很快的速度(最快可以接近光速,但不能超越光速),使其具有非常高的能量,然后轰击到目标粒子上。

两颗粒子碰撞后,会发出新粒子,这就是科学家们要观测的事物。这个过程就好比,把两个核桃相碰碎,外壳破裂后,得到里面的核桃仁。

自 1931 年第一台圆形回旋加速器被发明,这种设备现在已经发生了翻天覆地的变化。第一台圆形回旋加速器只有巴掌大小,直径约 11 厘米,造价 25 美金,从设计到建成不足 1 年。而 LHC,周长 27 千米,造价超过 50 亿瑞士法郎,从提出设想到成功实验,历时 25 年。

变化如此之大的背后,都是为了实现更高的碰撞能量。对粒子物理实验而言,如果想看到更小的物质,就必须用更快速度去碰撞,以产生更高的能量。第一台圆形回旋加速器的能量,只有 8 万电子伏特,而 LHC 的碰撞能量以万亿计算,并且还经过多次升级,得以让粒子物理实验有所突破。

2011 年底,科学家们已经发现了希格斯玻色子存在的迹象,但还不能完全肯定。2012 年 4 月,为了精准捕获希格斯玻色子,欧洲核子研究中心把 LHC 的最高能量,从 7 万亿电子伏特升级到了 8 万亿电子伏特

捕获“上帝粒子”后,欧洲核子研究中心又对 LHC 进行了多次升级。2015 年 5 月,把 LHC 对撞能量升级到了 13 万亿电子伏特。

2018 年 12 月再次停机升级,2021 年 5 月重启后,对撞能量将达 14 万亿电子伏特。

2025 年最后一次停机,直至 2027 年升级为“高亮度 LHC”。虽然对撞能量没有提升,但能产生更多碰撞,积累数据将超过 LHC 10 倍。

尽管 LHC 有多次升级,但对于粒子物理来说,想要更上一层楼,得建造一个更大的实验机器。

捕获“上帝粒子”之后

捕获希格斯玻色子后,“标准模型”完整了,但科学家们的工作没有停止。不管是理论还是实验结果,都表明这不是物质原理的终点。

“标准模型”能涵盖宇宙大爆炸后许多物理过程和现象,但却无法解释暗物质、暗能量以及物质和反物质不平衡的问题。补充“标准模型”漏洞的“超对称理论”,可以解释暗物质、暗能量,但其预言的超对称粒子,至今没有找到。

诸多还没解开的物理谜团,需要新物理来解释。而精准测量“标准模型”的核心——希格斯玻色子,被认为是寻找新物理的最好突破口。

上文说到,LHC 在多次升级的情况下,最大对撞能量也只有 14 万亿电子伏特,还不能满足精确测量希格斯玻色子的需求。想要把希格斯玻色子性质测量至 1% 的精度,需要可以产生 100 万亿电子伏特能量的设备。

因此,就诞生了 FCC 这样更加庞大的对撞机计划。FCC 全长 100 千米,被安置在一个环形隧道里,约 6 倍于正在运行的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,简称 LHC)。按 CERN 的规划,这个项目将坐落在瑞士和法国接壤区域。

在下图中,橙色粗虚线即 FCC,左上角蓝色实现为 LHC,其周长 27 千米,是目前碰撞能量最大的粒子对撞机。

这个项目实际上分两步,第一步是建造一台高亮度的正负电子对撞机,碰撞能量与 LHC 级别类似。第二步是终极目标,打造碰撞能量为 100 万亿电子伏特的质子-质子对撞机。

正负电子对撞机拥有极高的信噪比,可在极高精度下对希格斯玻色子进行测量,因此又被称为“希格斯工厂”,专门用于产生大量的“上帝粒子”,进而探究其性质。中国倡议的环形正负电子对撞机(CEPC),也是和 FCC 第一步大同小异的“希格斯工厂”。

不管是欧洲的 FCC,还是中国的 CEPC,都有一个核心的争议:投入产出比。

欧洲的 FCC 预估造价 210 亿欧元,中国的 CEPC 造价 400 亿元,之后的质子对撞机(SppC),造价 1000 亿元。这些费用通常会由国际社会共同承担,以中国 CEPC 和 SppC 为例,国际贡献 30%,中国出资 70%。

如此巨额的投入,却面临着巨大的不确定性。建造更大对撞机的长远目标,是为了探寻“标准模型”之外的新物理,但没有证据表明,暗物质粒子和超对称粒子会出现在新设备的能量范围里。

理论物理学家杨振宁一直旗帜鲜明地反对建 CEPC,“超对称粒子的存在只是一个猜想,没有任何实验根据,希望用极大对撞机发现此猜想中的粒子,更只是猜想加猜想”。美国曾经也有一个这样的项目,叫超导超级对撞机(SSC),因为造价飙升而中途放弃,白白浪费了 30 亿美元。

不过,这样大型的对撞机项目,有的时候会产生技术溢出效应,出现粒子物理领域外的收益。比如,因为要供全球科学家交流信息,欧子核子研究中心诞生了 Web 时代的基础——万维网。因为要计算大量实验数据,该机构又发展出世界最大网格计算环境。

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