LHC的故事激動人心 充滿曲折

北京時間1月2日，據(jù)外媒報道，早在2008年，世界上最強大的粒子加速器——大型強子對撞機(LHC)——發(fā)射了第一束質(zhì)子束。十年后的今天，或許我們應(yīng)該好好評價一下這個巨大設(shè)施所取得的成就以及未來的發(fā)展方向。

對LHC的評估包括未來可能的研究和可能建造的新實驗設(shè)施，在這些設(shè)施中，內(nèi)部碰撞的粒子可以達到比LHC高得多的能量。LHC可能已經(jīng)有兩三個可能的替代者。然后，讓我們總結(jié)一下過去十年的成就和未來的目標(biāo)。

LHC的故事激動人心，充滿曲折。在運行的頭幾天，這臺儀器的巨大磁鐵遭受了災(zāi)難性的損壞。后來，它在這場悲劇中從鳳凰涅槃中獲得了一些令人興奮和信服的發(fā)現(xiàn)，包括希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)。英國理論物理學(xué)家彼得彼得希格斯和比利時物理學(xué)家弗朗索瓦恩格勒因這一發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾獎。他們在半個多世紀(jì)前就預(yù)言了這種粒子的存在。全世界的新聞媒體都在報道粒子物理的新聞，這是不可思議的，但是希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)做到了。

尋找新物理

物理學(xué)家同樣緊張和興奮，等待著他們想要的意外發(fā)現(xiàn)。近半個世紀(jì)以來，科學(xué)家對亞原子物質(zhì)有了主流的理論認(rèn)識。這種理解被稱為粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。

這個模型解釋了物理學(xué)家觀察到的傳統(tǒng)物質(zhì)的分子和原子的行為，甚至是迄今為止觀察到的最小的已知成分——。這些粒子被稱為夸克和輕子，其中夸克存在于構(gòu)成原子核的質(zhì)子和中子內(nèi)部；電子是最常見的輕子。該模型還解釋了除重力以外的所有已知力的行為。這是一項了不起的科學(xué)成就。

然而，標(biāo)準(zhǔn)模型不能解釋理論物理中的一切。它不能解釋為什么夸克和輕子似乎存在于三個不同但幾乎相同的類別中。這種分類叫做“代”。為什么是三代，不是二四代，也不是二十代？這個模型無法解釋為什么我們的宇宙完全由物質(zhì)組成。對愛因斯坦相對論最簡單的理解已經(jīng)指出，宇宙應(yīng)該包含等量的反物質(zhì)。

該模型無法解釋為什么對宇宙的研究表明，由原子組成的常規(guī)物質(zhì)只占宇宙物質(zhì)和能量的5%，其余的被認(rèn)為是由暗物質(zhì)和暗能量組成的。暗物質(zhì)是一種只受引力影響的物質(zhì)形式，而不受其他基本相互作用的影響，而暗能量是一種充滿宇宙的排斥引力形式。

在LHC第一次運行之前，一些物理學(xué)家希望原子轟擊能夠幫助解決這些令人困惑的問題。解決這些問題最常被引用的理論是超對稱性。該理論指出，所有已知的亞原子粒子都有相應(yīng)的“超對稱”粒子。反過來，這些粒子可以為暗物質(zhì)和其他謎題提供解釋。然而，物理學(xué)家沒有發(fā)現(xiàn)任何超對稱性的證據(jù)。更重要的是，LHC數(shù)據(jù)排除了包含超對稱性的最簡單理論。那么，LHC取得了哪些成就？

碩果累累的LHC

除了希格斯玻色子，LHC還為4個大型實驗合作項目提供了大量數(shù)據(jù)，產(chǎn)生了2000多篇科學(xué)論文。在LHC內(nèi)部，粒子相互碰撞的能量是費米實驗室的6.5倍。在此之前，兆電子伏特加速器是世界上運行能量最高的粒子對撞機，25年后，LHC終于取而代之。

這對標(biāo)準(zhǔn)模型的檢驗具有重要意義。任何測量結(jié)果都可能與預(yù)測不匹配，這可能會導(dǎo)致新的發(fā)現(xiàn)。然而，實驗結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)模型是一個非常好的理論，它可以準(zhǔn)確地預(yù)測LHC的碰撞能量，就像以前對兆電子伏加速器的預(yù)測一樣。

那么，這是一個問題嗎？說真的，答案是否定的，畢竟科學(xué)家更容易進行實驗，拒絕錯誤的新想法，確認(rèn)正確的想法同樣重要。

另一方面，不可否認(rèn)的是，當(dāng)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)以前沒有預(yù)料到的新現(xiàn)象時，他們會更加興奮。這樣的發(fā)現(xiàn)促進了人類知識的發(fā)展，最終甚至可能改寫教科書。

故事還沒有結(jié)束。

那么，現(xiàn)在情況如何？LHC告訴我們整個故事了嗎？你不能這么說。事實上，研究人員期待著改進設(shè)備，這將有助于他們研究當(dāng)前技術(shù)無法解決的問題。LHC于2018年12月初關(guān)閉，未來兩年將進行改造和升級。2021年春季，加速器恢復(fù)運行時，雖然能量只是略微增加，但每秒鐘的撞擊次數(shù)會翻倍。考慮到未來的升級計劃，LHC科學(xué)家目前只記錄了3%的預(yù)期數(shù)據(jù)。盡管篩選所有測試結(jié)果需要很多年，但目前的計劃是記錄比迄今為止記錄的數(shù)據(jù)多30倍的數(shù)據(jù)。如此大量的數(shù)據(jù)接連出現(xiàn)，LHC還有很多故事要講。

盡管LHC可能會再競選20年，但有理由問：“下一步是什么？”粒子物理學(xué)家正在考慮建立一個后續(xù)的粒子加速器來取代LHC。作為LHC的延續(xù)，一種可能性是使用難以置信的能量——10

0TeV，遠高于LHC設(shè)計最高的14TeV——使質(zhì)子碰撞。不過，達到如此驚人的能量需要做到兩件事：首先，我們需要建造強度更大的磁體，要比LHC用來推動粒子的磁體強大兩倍，這一點很有挑戰(zhàn)性，但是應(yīng)該可以實現(xiàn);其次，我們需要建造另一條隧道，與LHC的隧道類似，但通道大3倍以上，其圓形隧道周長接近100公里，大約是LHC隧道的4倍。

但是，這條龐大的隧道將在哪里建造呢，它究竟會是什么樣?有哪些粒子束會以怎樣的能量碰撞?這些都是很好的問題。目前的設(shè)計和決策過程還無法給出答案，但有兩個非常龐大而且成就很高的物理學(xué)家群體正在思考這些問題，他們各自提出了新加速器的設(shè)想。其中一個主要由歐洲的研究小組提出的方案是，希望建造一個另一個大型的加速器，地點很可能位于日內(nèi)瓦郊外的歐洲核子中心(CERN)實驗室。

研究人員的一個想法是，這個新加速器將使一束電子和反物質(zhì)電子碰撞。由于質(zhì)子束和電子束在加速時的差異——電子束會在圓形結(jié)構(gòu)中比質(zhì)子束失去更多的能量——這束電子將使用約98公里的隧道，但是會以比使用質(zhì)子束時更低的能量。另一個建議是，還是用同樣的98公里隧道來碰撞質(zhì)子束。一個折中的建議是重新啟用目前LHC的隧道，但使用更強大的磁體。這個選項雖然只是讓LHC目前能達到的碰撞能量加倍，但卻是一種成本較低的替代方案。

另外一個方案主要由中國科學(xué)家倡導(dǎo)，即建立一個全新的設(shè)施，地點可能在中國。這個加速器的隧道周長也將在98公里左右，而它將進行電子和反物質(zhì)電子的碰撞，到2040年再轉(zhuǎn)變?yōu)檫M行質(zhì)子-質(zhì)子碰撞。

目前這兩個潛在方案還處于討論階段。最終，提出這些方案的科學(xué)家必須找到愿意為此提供資金支持的政府或團體。在此之前，科學(xué)家還需要確定建立新設(shè)施所需要的能力和技術(shù)。兩個物理學(xué)家群體最近都發(fā)布了廣泛和詳細的文字材料，闡述了他們的設(shè)計。這些還不足以實現(xiàn)他們的設(shè)想，但已經(jīng)足以比較未來預(yù)計的實驗成果，并能開始整合出可靠的成本預(yù)測。

研究前沿知識是一項艱巨的任務(wù)，從夢想建造如此大規(guī)模的設(shè)施，到設(shè)施的最終關(guān)閉，其間可能要經(jīng)歷數(shù)十年。在我們紀(jì)念LHC第一束粒子撞擊十周年之際，回顧成就并展望未來是很有必要的。隨著技術(shù)發(fā)展，下一代科學(xué)家將會有更多的數(shù)據(jù)來獲得更激動人心的發(fā)現(xiàn)，我們也將揭開大自然更多的迷人奧秘。