北京時(shí)間1月2日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，早在2008年，世界上最強(qiáng)大的粒子加速器——大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）——射出了第一道質(zhì)子束。十年之后的今天，或許我們應(yīng)該好好評(píng)估一下從這一龐大設(shè)施中獲取的成果，以及它未來的發(fā)展方向。
對LHC的評(píng)估包括未來可能進(jìn)行的研究，以及可能建造的新實(shí)驗(yàn)設(shè)施，在其內(nèi)部碰撞的粒子能達(dá)到遠(yuǎn)高于LHC的能量。目前可能已經(jīng)有兩種或三種可能的LHC替代方案。那么，就讓我們盤點(diǎn)一下十年來所達(dá)到的成就，以及未來的目標(biāo)。
大型強(qiáng)子對撞機(jī)是世界上最大的粒子加速器設(shè)施，主要部分是位于法國和瑞士邊界地下長度達(dá)27公里的圓形隧道。
LHC的故事既令人振奮又一波三折。在運(yùn)行的最初幾天里，這臺(tái)儀器的巨大磁鐵發(fā)生了災(zāi)難性的損壞；隨后，它從這場悲劇中鳳凰涅槃，獲得了一些激動(dòng)人心且頗有說服力的發(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·希格斯（Peter Higgs）和比利時(shí)物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒（Francois Englert）因?yàn)檫@一發(fā)現(xiàn)而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，他們在半個(gè)多世紀(jì)之前就預(yù)言了這種粒子的存在。讓全世界的新聞媒體都報(bào)道粒子物理學(xué)的新聞是很不可思議的，但希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)做到了這一點(diǎn)。
尋找新物理學(xué)
物理學(xué)家同樣既緊張又興奮，都在等待他們希望得到的意外發(fā)現(xiàn)。在將近半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，科學(xué)家已經(jīng)對亞原子物質(zhì)有了目前主流的理論理解。這種理解被稱為粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。
該模型解釋了物理學(xué)家觀察到的常規(guī)物質(zhì)分子和原子——甚至迄今為止觀察到的最小的已知構(gòu)件——的行為。這些粒子被稱為夸克和輕子，其中夸克存在于質(zhì)子和中子內(nèi)部，而質(zhì)子和中子構(gòu)成了原子核；電子則是最常見的輕子。標(biāo)準(zhǔn)模型還解釋了除引力之外所有已知力的行為。這是相當(dāng)了不起的科學(xué)成就。
然而，標(biāo)準(zhǔn)模型并不能解釋理論物理學(xué)中的一切。它不能解釋夸克和輕子為什么似乎能存在于三個(gè)不同的，但幾乎相同的類別中。這種分類稱為“代”（generation），為什么是三代，不是二代或四代，或20代？標(biāo)準(zhǔn)模型也不能解釋為什么我們的宇宙完全由物質(zhì)組成，對愛因斯坦的相對論最簡單的理解已經(jīng)指出，宇宙中應(yīng)該包含等量的反物質(zhì)。
標(biāo)準(zhǔn)模型不能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%，其余部分被認(rèn)為由暗物質(zhì)和暗能量組成。暗物質(zhì)是一種只受到引力，而不受到其他基本相互作用影響的物質(zhì)形式，而暗能量是一種充斥宇宙的排斥性引力形式。
在LHC的首次運(yùn)行之前，一些物理學(xué)家希望通過對原子的轟擊，可以幫助解答這些令人費(fèi)解的問題。解決這些難題時(shí)最常被引用的理論是超對稱。該理論指出，所有已知亞原子粒子都具有對應(yīng)的“超對稱”粒子。這些粒子反過來可以為暗物質(zhì)和其他難題提供解釋。然而，物理學(xué)家還未發(fā)現(xiàn)任何超對稱的證據(jù)。更重要的是，LHC的數(shù)據(jù)已經(jīng)排除了那些包含超對稱性的最簡單理論。那么，LHC取得了哪些成果？
碩果累累的LHC
除了希格斯玻色子外，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)生了超過2000篇科學(xué)論文。在LHC內(nèi)部，粒子以高于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室兆電子伏特加速器（Tevatron，又稱為正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)）6.5倍的能量相互碰撞。在此之前，兆電子伏特加速器曾是世界上運(yùn)行能量最高的粒子對撞機(jī)，而在保持了25年之后，LHC終于取而代之。
對標(biāo)準(zhǔn)模型的試驗(yàn)具有重要意義。任何一個(gè)測量結(jié)果都可能與預(yù)測不吻合，而這就可能帶來新的發(fā)現(xiàn)。然而，試驗(yàn)的結(jié)果顯示，標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)非常好的理論，它可以對LHC的碰撞能量做出準(zhǔn)確的預(yù)測，就像此前對兆電子伏特加速器所做的預(yù)測一樣。
那么，這是一個(gè)問題嗎？非常認(rèn)真地說，答案是否定的。畢竟，科學(xué)家更多的是試驗(yàn)并拒絕錯(cuò)誤的新想法，而確認(rèn)正確的觀點(diǎn)也同樣重要。
另一方面，不能否認(rèn)，科學(xué)家在發(fā)現(xiàn)此前未曾預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)的新現(xiàn)象時(shí)會(huì)更加興奮。這類發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了人類的知識(shí)發(fā)展，最終甚至可能改寫教科書。
故事還未結(jié)束
那么，現(xiàn)在是什么情況？LHC已經(jīng)告訴我們?nèi)康墓适铝藛?？并不能這么說。事實(shí)上，研究人員期待著對設(shè)備的改進(jìn)，這將有助于他們研究以目前技術(shù)還無法解決的問題。LHC在2018年12月初關(guān)閉，接下來兩年將進(jìn)行改造和升級(jí)。2021年春，當(dāng)這臺(tái)加速器恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，雖然能量只是略有提升，但每秒的撞擊次數(shù)將加倍。考慮到未來計(jì)劃中的升級(jí)，LHC的科學(xué)家目前僅記錄了3%的預(yù)期數(shù)據(jù)。雖然篩選所有試驗(yàn)結(jié)果需要許多年時(shí)間，但目前的計(jì)劃是記錄比迄今為止所記錄數(shù)據(jù)多30倍的數(shù)據(jù)。隨著如此大量的數(shù)據(jù)陸續(xù)出現(xiàn)，LHC還有很多故事可以講述。
雖然LHC可能還將運(yùn)行20年，但現(xiàn)在也可以很合情合理地提問：“下一步是什么？”粒子物理學(xué)家正在考慮建造一個(gè)后續(xù)的粒子加速器來取代LHC。作為LHC的延續(xù)，一個(gè)可能性是以令人難以置信的能量——100TeV，遠(yuǎn)高于LHC設(shè)計(jì)最高的14TeV——使質(zhì)子碰撞。不過，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(huì)是什么樣？有哪些粒子束會(huì)以怎樣的能量碰撞？這些都是很好的問題。目前的設(shè)計(jì)和決策過程還無法給出答案，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。這個(gè)加速器的隧道周長也將在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)足以比較未來預(yù)計(jì)的實(shí)驗(yàn)成果，并能開始整合出可靠的成本預(yù)測。
研究前沿知識(shí)是一項(xiàng)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(huì)有更多的數(shù)據(jù)來獲得更激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)，我們也將揭開大自然更多的迷人奧秘。
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