对撞机为何 越来越“高大上”?

高 博

2016年09月08日08:48  来源:科技日报
 
原标题:对撞机为何 越来越“高大上”?

  图为发现希格斯玻色子的大型强子对撞机LHC

  目前的世界大型粒子对撞机尺寸对比(中国的BEPC正负电子对撞机最小,但未来建立的CEPC环形虚线区域则最大)

  9月4日和5日,网络上掀起一场关于中国是否应该建造大对撞机的争论,丘成桐和高能物理学家王贻芳发文力挺大对撞机,而杨振宁和评论家王孟源则明确反对。为什么对撞机越建越大?高能物理学家期待的大对撞机又能做些什么?

  对撞两粒橙子籽儿,不那么容易

  你真正感兴趣的是两粒橙子的籽儿能撞出来什么,但你得用两个橙子去撞,结果是汁液四溅,碎屑横飞,乱七八糟啥也看不清。

  对撞机,顾名思义,专门制造“天雷地火大碰车”。两辆大货车全速撞在一起必然是火星四溅零件儿乱飞。科学家驱赶基本粒子使之迎面对撞,能量比大货车还高得多。科学家制造车祸现场,越惨烈他们越高兴——残片甩出来,趁机测一测有什么新奇的零件儿没有。

  之所以基本粒子能够具备比大货车还高的能量,是人们“加速”出来的,所以对撞机也叫加速器。运动的粒子带电荷,人类可以用强大的电磁场(为此得研发先进的超导技术)让它们改变速度,跑得更快。就好像一匹马被放进跑道,有个驯马员不停抽它,就越跑越快。反方向的两束粒子,最终迎面碰头撞出世间万象。

  当初欧洲的大型强子对撞机(LHC)还没运行的时候,有传言说它弄不好会撞出一个黑洞来毁灭地球。这说法也不是没边儿没沿儿,因为巨型对撞机的确志在制造出媲美宇宙大爆炸的能量密度。

  为了用电磁场加速,对撞机用的都是有电荷的粒子:质子和反质子,电子和反电子。如果要用质子,用强电场加在氢气上,质子和电子就剥开了。如果要用电子,则是利用电子管的原理:加热一些材料,让电子跑出来。而反质子和反电子的获取就麻烦一点,可能要用到激光。这些粒子被制造出来后,会在一个磁场圈儿里慢慢跑着,等要撞了,再放进“赛道”。

  对撞机原理虽然简单,但想要监测撞出的粒子却很麻烦。有个物理学家比喻说:你真正感兴趣的是两粒橙子的籽儿能撞出来什么,但你得用两个橙子去撞,于是汁液四溅,果肉果皮的碎屑横飞,乱七八糟啥也看不清。

  所以LHC这样的大家伙,成为了史上生产最多数据的机器。绝大多数数据是无用的,找出精华就像稻草堆里找银针。

  超越一个大获成功的模型,路在何方?

  为了超越标准模型,一些学者把目光转向和弦理论有紧密联系的超对称粒子,希望建造更大的对撞机,实现更高能量的碰撞。

  目前最成功地描述微观世界秩序的,就是“标准模型”了。自然界有四种基本力,强力、弱力、电磁力和引力。格拉肖1961年提出了弱力和电磁力统一的模型;1967年,温伯格和萨拉姆在格拉肖模型的基础上,借鉴希格斯的方法,提出了弱电统一规范理论;他们几位也是标准模型的奠基人。

  标准模型描述了电磁、强作用、弱作用相关所有现象,也给组成物质的基本粒子分了类,将粒子分成费米子和玻色子。费米子是组成物质的,包括电子、夸克和中微子等等,玻色子则传递力,包括光子、介子和胶子等等。

  当希格斯粒子被LHC发现后,标准模型预言的61个粒子都被证实了。而甚至在希格斯粒子被发现之前,已经没人挑战这个极为符合现实的理论框架了。然而,物理学家仍然觉得有缺憾。因为标准模型中没有引力的位置,它不是描述万事万物的“大统一理论”。标准模型也不能解释暗物质,它不能解释我们观察的宇宙中的物质和反物质为何不对等,它也不能解释宇宙为什么暴胀。

  为了超越标准模型,高能物理界的希望之星是弦理论。丘成桐和威滕等数学界菲尔兹奖的获得者,都对弦理论做过贡献。弦理论把各种粒子看作是弦的表现形式,这种理论看起来是一种包罗万象的、有潜力的更高框架。但目前弦理论还没有做出具体的预测,不能被实验证实或证伪,因此它想成为相对论、量子力学一样的成功理论还需时日。而弦理论与被广为接受的物理学相同的是,它在数学上别具魅力,不论它是否描述我们身处的宇宙。目前,弦理论的大本营是在高能物理的传统中心美国。

  理论的曙光一般来自实验,很多高能物理学家希望建造更大的对撞机,实现更高能量的碰撞。其中一些学者就瞩目于标准模型之外的超对称粒子,这种超对称粒子和弦理论有相当紧密的联系。

  美国费米实验室的Tevatron粒子加速器曾被寄予希望,但这台2TeV能量的机器并未发现超对称粒子;能量高出一个数量级的LHC,目前也没有找到超对称粒子存在的证据。

  LHC之后还有谁?各想主意

  大对撞机因为耗资巨大,在任何地方开建都会引起财政争论。目前中、日两个项目都还在研究筹备中。ILC升级版似乎颇有希望通过,但也需要海量投钱,前途未卜。

  对撞机大概分两种:一种用电子去对撞,优点是电子结构简单个头儿小,撞出来碎片儿比较少,方便科学家看清楚,缺点是它喜欢一边儿跑一边儿辐射能量,老泄气儿跑不快;另一种质子对撞机,长处和短处与电子对撞机相反。美国费米研究室还提出一种想法,用μ子去撞,但大量制造μ子有困难,现在还没实现。

  目前,欧洲核子研究组织正探讨升级LHC的超导磁体,将LHC的能量上限从14TeV提至20TeV。但高能物理学家已将目光投在LHC之后:一个方案是日本的国际直线对撞机(ILC),另一个是中国的环形正负电子对撞机(CEPC)以及预想中的质子对撞机(SPPC)。

  目前两个项目都还在研究筹备中。升级ILC似乎颇有希望通过。当然它也需要海量投钱,前途未卜。日本将在今年做出决定。如果要建,2030年开始运行。预算是100亿美元。根据设计,正负电子沿着31公里长的直线通道对撞(LHC则是在27公里的环形通道内用质子对撞)。

  中国提出的方案,是在50—100公里的地下环形通道内建造正负电子对撞机。正负电子对撞机只有0.24—0.35TeV,但如果用它的隧道来增建质子对撞机,能建成比LHC高一个数量级的大对撞机。这台质子对撞机的预算应该不亚于ILC。

  高能物理学家想依靠下一代对撞机首先解决希格斯粒子的谜团,比如LHC测出的希格斯子的质量为何如此小?作为标准模型的基础,希格斯子的质量本来被算得相当大。这也成为突破标准模型发现新物理的一个方向。

  大对撞机因为耗资巨大,在任何地方开建都会引起财政争论,美国甚至在1993年将已经投资20亿美元的大对撞机拉下马来。目前,日本和中国的方案悬而未决,其前途必然要考虑LHC还能有哪些重要成果,以及对高能物理学前景的判断了。

(责编:魏艳、赵竹青)

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