LHC的故事激動(dòng)人心 充滿曲折

北京時(shí)間1月2日，據(jù)外媒報(bào)道，早在2008年，世界上最強(qiáng)大的粒子加速器——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(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(píng)價(jià)一下這個(gè)巨大設(shè)施所取得的成就以及未來(lái)的發(fā)展方向。

對(duì)LHC的評(píng)估包括未來(lái)可能的研究和可能建造的新實(shí)驗(yàn)設(shè)施，在這些設(shè)施中，內(nèi)部碰撞的粒子可以達(dá)到比LHC高得多的能量。LHC可能已經(jīng)有兩三個(gè)可能的替代者。然后，讓我們總結(jié)一下過(guò)去十年的成就和未來(lái)的目標(biāo)。

LHC的故事激動(dòng)人心，充滿曲折。在運(yùn)行的頭幾天，這臺(tái)儀器的巨大磁鐵遭受了災(zāi)難性的損壞。后來(lái)，它在這場(chǎng)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(guó)理論物理學(xué)家彼得彼得希格斯和比利時(shí)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(jiǎng)。他們?cè)诎雮€(gè)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(bào)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(gè)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家對(duì)亞原子物質(zhì)有了主流的理論認(rèn)識(shí)。這種理解被稱(chēng)為粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。

這個(gè)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(chēng)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(jiàn)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(xiàng)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(gè)不同但幾乎相同的類(lèi)別中。這種分類(lèi)叫做“代”。為什么是三代，不是二四代，也不是二十代？這個(gè)模型無(wú)法解釋為什么我們的宇宙完全由物質(zhì)組成。對(duì)愛(ài)因斯坦相對(duì)論最簡(jiǎn)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(wú)法解釋為什么對(duì)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(yùn)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(wèn)題。解決這些問(wèn)題最常被引用的理論是超對(duì)稱(chēng)性。該理論指出，所有已知的亞原子粒子都有相應(yīng)的“超對(duì)稱(chēng)”粒子。反過(guò)來(lái)，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(méi)有發(fā)現(xiàn)任何超對(duì)稱(chēng)性的證據(jù)。更重要的是，LHC數(shù)據(jù)排除了包含超對(duì)稱(chēng)性的最簡(jiǎn)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(gè)大型實(shí)驗(yàn)合作項(xiàng)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(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的6.5倍。在此之前，兆電子伏特加速器是世界上運(yùn)行能量最高的粒子對(duì)撞機(jī)，25年后，LHC終于取而代之。

這對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的檢驗(yàn)具有重要意義。任何測(cè)量結(jié)果都可能與預(yù)測(cè)不匹配，這可能會(huì)導(dǎo)致新的發(fā)現(xiàn)。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)非常好的理論，它可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)LHC的碰撞能量，就像以前對(duì)兆電子伏加速器的預(yù)測(cè)一樣。

那么，這是一個(gè)問(wèn)題嗎？說(shuō)真的，答案是否定的，畢竟科學(xué)家更容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，拒絕錯(cuò)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(méi)有預(yù)料到的新現(xiàn)象時(shí)，他們會(huì)更加興奮。這樣的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了人類(lèi)知識(shí)的發(fā)展，最終甚至可能改寫(xiě)教科書(shū)。

故事還沒(méi)有結(jié)束。

那么，現(xiàn)在情況如何？LHC告訴我們整個(gè)故事了嗎？你不能這么說(shuō)。事實(shí)上，研究人員期待著改進(jìn)設(shè)備，這將有助于他們研究當(dāng)前技術(shù)無(wú)法解決的問(wèn)題。LHC于2018年12月初關(guān)閉，未來(lái)兩年將進(jìn)行改造和升級(jí)。2021年春季，加速器恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，雖然能量只是略微增加，但每秒鐘的撞擊次數(shù)會(huì)翻倍。考慮到未來(lái)的升級(jí)計(jì)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(cè)試結(jié)果需要很多年，但目前的計(jì)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(huì)再競(jìng)選20年，但有理由問(wèn)：“下一步是什么？”粒子物理學(xué)家正在考慮建立一個(gè)后續(xù)的粒子加速器來(lái)取代LHC。作為L(zhǎng)HC的延續(xù)，一種可能性是使用難以置信的能量——10

0TeV，遠(yuǎn)高于LHC設(shè)計(jì)最高的14TeV——使質(zhì)子碰撞。不過(guò)，達(dá)到如此驚人的能量需要做到兩件事：首先，我們需要建造強(qiáng)度更大的磁體，要比LHC用來(lái)推動(dòng)粒子的磁體強(qiáng)大兩倍，這一點(diǎn)很有挑戰(zhàn)性，但是應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn);其次，我們需要建造另一條隧道，與LHC的隧道類(lèi)似，但通道大3倍以上，其圓形隧道周長(zhǎng)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(huì)是什么樣?有哪些粒子束會(huì)以怎樣的能量碰撞?這些都是很好的問(wèn)題。目前的設(shè)計(jì)和決策過(guò)程還無(wú)法給出答案，但有兩個(gè)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(wèn)題，他們各自提出了新加速器的設(shè)想。其中一個(gè)主要由歐洲的研究小組提出的方案是，希望建造一個(gè)另一個(gè)大型的加速器，地點(diǎn)很可能位于日內(nèi)瓦郊外的歐洲核子中心(CERN)實(shí)驗(yàn)室。

研究人員的一個(gè)想法是，這個(gè)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(shí)的差異——電子束會(huì)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(huì)以比使用質(zhì)子束時(shí)更低的能量。另一個(gè)建議是，還是用同樣的98公里隧道來(lái)碰撞質(zhì)子束。一個(gè)折中的建議是重新啟用目前LHC的隧道，但使用更強(qiáng)大的磁體。這個(gè)選項(xiàng)雖然只是讓LHC目前能達(dá)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(gè)方案主要由中國(guó)科學(xué)家倡導(dǎo)，即建立一個(gè)全新的設(shè)施，地點(diǎn)可能在中國(guó)。這個(gè)加速器的隧道周長(zhǎng)也將在98公里左右，而它將進(jìn)行電子和反物質(zhì)電子的碰撞，到2040年再轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)行質(zhì)子-質(zhì)子碰撞。

目前這兩個(gè)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(tuán)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(gè)物理學(xué)家群體最近都發(fā)布了廣泛和詳細(xì)的文字材料，闡述了他們的設(shè)計(jì)。這些還不足以實(shí)現(xiàn)他們的設(shè)想，但已經(jīng)足以比較未來(lái)預(yù)計(jì)的實(shí)驗(yàn)成果，并能開(kāi)始整合出可靠的成本預(yù)測(cè)。

研究前沿知識(shí)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，從夢(mèng)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(lái)是很有必要的。隨著技術(shù)發(fā)展，下一代科學(xué)家將會(huì)有更多的數(shù)據(jù)來(lái)獲得更激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)，我們也將揭開(kāi)大自然更多的迷人奧秘。