中日欧争相抢占物理制高点:下一代大型强子对撞机花落谁家?

澎湃新闻见习记者 王盈颖

2016-08-24 22:13 来源:澎湃新闻

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在通过大型强子对撞机(LHC)发现希格斯玻色子的过程中,CMS是中国科学家主要参加的实验项目之一。CMS的桶形通用探测器有15-25米的直径,重7000-14000吨。  东方IC 图
下一个“上帝粒子”级别的重大物理发现将出自谁手?日本和中国都正在各自筹办由本国主持的下一代大型强子对撞机,寄希望于通过大科学装置来探索世界起源的亘古秘密。
这样的想法起源于2013年,“上帝粒子”希格斯玻色子(Higgs boson)通过欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机(LHC),被确定。这是基础物理的一个里程碑。LHC通过模拟微观的宇宙大爆炸环境,证实了活在物理学几十年猜想中的希格斯玻色子确实存在,给粒子物理学标准模型理论的大楼添上最后一块基石。
日本和中国都有意做一个“继任者”,在LHC的基础上,详细测量希格斯玻色子和其他已知的、抑或是将要被发现的粒子的属性。
早在希格斯玻色子刚被初步发现时,2012年底,日本对粒子加速器的未来产生了浓厚的兴趣。据《自然》杂志在2012年的报道,当时有一个国际共识是,日本是全球唯一可能主持建造国际直线对撞机(ILC)的国家。国际科学家团队对ILC的设计,是将正负电子沿着一个31公里长的直线通道进行对撞。这和LHC是在27公里的环形通道内进行质子对撞有所区别。
《自然》杂志介绍称,ILC所用来对撞的粒子是作为基本单位的正负电子,更加清洁、更适于对撞的精确测量。这将有利于发现标准模型之外的粒子,突破程度不亚于发现希格斯玻色子。
而LHC使用质子来对撞,质子是由夸克组成的复合粒子,在对撞过程中会产生大量碎片。比如,在通过LHC寻找希格斯玻色子的过程中,每次对撞都会产生10个以上的碎片。而在一张照片中会叠加20、30次的对撞,科学家们需要在一张有着几百个碎片图中寻找希格斯玻色子衰变后的痕迹,是很大的工作量。
但目前,日本是否会建造ILC尚未定局。据报道,日本文部科学省(MEXT)被期望在今年,就日本是否会建造ILC作出表态。ILC被规划在2030年左右建成,投入实验。
日本文部科学省的顾虑之一是开支。建设大科学装置意味着巨额的资金投入,ILC的预计开支为100亿美元,若日本作为主持国,将承担较大比重的开支。据日本高能加速器研究机构(KEK)总干事Masanori Yamauchi介绍,由MEXT和美国能源部组成的联合小组正在讨论如何降低ILC的开支,有可能在100亿美元的基础上减少15%。即便如此,日本在正式宣布建造ILC之前,还需要来自其他国国家的资助承诺。
除了对高开支的顾虑,日本还想旁观,看在2018年年底前,LHC是否会在第一次最大能量(14TeV)运行周期内,有重大发现。
中国的大型强子对撞机计划也在紧锣密鼓进行中,是日本在该项目上的最大潜在竞争者之一。一个项目先行开展的话,在一定程度上会带走另一个项目的部分潜在投资资金。在希格斯玻色子被发现的几个月后,中科院高能物理研究所所长王贻芳领衔的团队,就提出了在本世纪30时代建成对撞机的计划。
中科院高能物理研究所打算与国际合作,在50-100公里的底下环形通道内,利用相同的隧道,建造两座超级对撞机:正负电子对撞机和质子-质子对撞机。虽然正负电子对撞机的对撞能级将只有0.24-0.35TeV。但它的存在可以为建造质子-质子对撞机削减大量成本。该质子-质子对撞机和LHC相似,都在环形通道内使用质子进行对撞。但该对撞机的通道长度将是LHC的2-4倍,对撞能级可达70-100TeV或100-140TeV,远超LHC的14TeV。据《自然》杂志报道,在国际高能物理大会(ICHEP)上,王贻芳表示将专注于提高国际社会对该项目的兴趣。
但不管是日本还是中国,是否实质性地进入大型强子对撞机的建造阶段都是一个重大的决定,而建造了10年、已经“服役”8年左右的LHC的成绩单影响着国际上对大型强子对撞机的预期。
目前,由于LHC尚未在发现标准模型外的新粒子上有新进展,有人对LHC感到失望。去年12月,LHC疑似发现比希格斯玻色子更重的粒子的迹象,但今年8月5日,来自LHC的两个独立实验——ATLAS和CMS的代表在美国芝加哥召开的国际高能物理大会上宣布,该迹象只是统计涨落,通过分析5倍于去年12月的数据,该迹象几乎衰减至无。
对于LHC的表现,意大利比萨大学物理学家、CMS前负责人Guido Tonelli依然乐观,目前收集到的数据仅为2018年底前LHC收集数据总量的六分之一,随时都有突破的可能。
除了中国和日本争先恐后地想在大型强子对撞机上占据主持国之位,主持LHC的欧洲核子研究组织也在考虑建立新一代超导磁体,将LHC的能级极限从14TeV提升至20TeV,抑或是另建一座“超级LHC”。
责任编辑:李跃群澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 大型强子对撞机,粒子物理,标准模型,LHC,ILC,中国,日本,欧洲,澎湃,澎湃新闻

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