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欧洲强子对撞机 欧洲大型强子对撞机,路在何方?

时间:2019-10-12 作者:CCTV5直播 来源:www.cctv5zb.net

欧洲强子对撞机欧洲强子对撞机欧洲大型强子对撞机,路在何方?:欧洲强子对撞机撰文|MichaelBanksRichardBlaustein●●●欧洲核子研究中心主任法比奥拉·吉亚诺蒂(Fab

欧洲强子对撞机

撰文 | Michael Banks  Richard Blaustein

欧洲核子研究中心主任法比奥拉·吉亚诺蒂(Fabiola Gianotti)接受《物理世界》杂志采访时提到,实验室正在计划下一项粒子物理学的重大实验,它将超越大型强子对撞机。

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机目前正在进行重大升级,升级完成后亮度将提高10倍。

“和粒子物理的现状一样,欧洲核子研究中心正处于发展过程中的一个十字路口”,迈克尔·班克斯(Michael Banks)这样写道。2012年,欧洲核子研究中心发现希格斯玻色子,自此之后大型强子对撞机(LHC)一直持续创造出大量的希格斯玻色子,但至今并未发现任何超出标准模型的粒子,这很大程度上让人感到失望和困惑。大型强子对撞机目前已被关闭,进入大规模升级的第一阶段,升级完成后其亮度将提升至原先设计值的10倍以上。物理学家们希望2026年对撞机升级完成重新运转后,会有大量新粒子被探测器发现。

然而有些人认为 “新物理学” 的最佳突破路径可能是对希格斯玻色子的精准研究,而这只能通过电子碰撞正电子来实现。这种碰撞比大型强子对撞机中的质子-质子碰撞更精准,因为后者会产生影响测量精度的碎片。鉴于粒子对撞机需要数十年的时间才能运行起来,粒子物理学家对此素有远见,已在着手制定一个电子-正电子对撞机的计划,一旦大型强子对撞机在本世纪30年代中期被最终关闭,新的对撞机将立刻启动。

其中一个领先设计方案是国际线性对撞机(ILC)计划,日本粒子物理学界最初表达了对该项目的兴趣。然而,与同类规模的粒子物理项目一样,成本的上升迫使设计师将其运行的能量减半到 250GeV,日本政府也是最近才表示出对该项目的兴趣。欧洲核子研究中心拥有一个自己的线性电子-正电子对撞机方案(名为 “紧凑型线性对撞机”),它的工作能量将高于国际线性对撞机。400GeV以上的线性机器有一大优点——它们产生的亮度高于环形对撞机,因为在环形对撞机中,电子在环型轨道行进时会发射同步辐射,导致能量的损失。

然而,低于该阈值时,环形对撞机亮度更高。鉴于希格斯玻色子的质量仅为125GeV,环形机器可能是下一步推动的方向,特别是粒子物理学家们拥有数十年建造这些设备的经验,而同时他们可将多个探测器安置在环形周围。但环形对撞机最大的缺点莫过于工程规模之巨大。未来欧洲核子研究中心的环形对撞机以及中国的环形正负电子对撞机都设想建造一个巨大的地下储存环,周长约100千米。即使今后隧道可以升级并容纳100TeV的质子-质子对撞机,这些工程的造价都可谓不菲。

欧洲粒子物理学界正准备更新未来战略,确认一个首选设计方案,接下来的一年对于下一个对撞机的规划至关重要。2019年2月,美国科学促进会2019年年会在华盛顿举行。美国科学作家理查德·布劳斯坦(Richard Blaustein)在会上采访了时任欧洲核子研究中心的主任法比奥拉·吉亚诺蒂,想更多地了解粒子物理研究的现状。吉亚诺蒂正值任期第三年,将于2020年底到任。

法比奥拉·吉亚诺蒂:在欧洲核子研究中心的生涯

法比奥拉·吉亚诺蒂,1960年出生于罗马,1989年获得米兰大学实验粒子物理学博士学位。1994年起,就职于欧洲核子研究中心,成为物理学部的一名物理学研究员,从事中心的多项实验,参与了探测器研发建设、软件研发和数据分析等。

2009年,她被任命为超环面仪器(ATLAS)实验发言人,与时任紧凑渺子线圈(CMS)探测器发言人的乔·因坎代拉(Joe Incandela)一起在2012年7月4日举办的欧洲核子研究中心研讨会上展示希格斯玻色子的研究成果(因采用漫画风格手写字体而出名)。

2016年1月1日,吉亚诺蒂接替罗尔夫·迪特尔·霍耶尔(Rolf-Dieter Heuer)出任欧洲核子研究中心主任,成为首位担任这一职务的女性。吉亚诺蒂的任期将一直到2020年底。

Q:距离发现希格斯玻色子已近7年,您能否概括一下粒子物理学的发展现状?

“就粒子物理学而言,我们正处于一个令人振奋的时代。一方面,标准模型非常成功地描述了已知的基本粒子及其相互作用。随着最后一块 “缺失的拼图” 希格斯玻色子于2012年被大型强子对撞机(LHC)发现,标准模型预测的所有粒子都已被发现。此外,在过去的几十年中,欧洲核子研究中心和世界各地的实验室已经通过极其精密的实验验证了标准模型的预测。另一方面,标准模型还不是粒子物理学领域的终极理论,因为它仍然无法解释一些现象,比如暗物质、宇宙中物质对反物质的支配地位和其他一些尚未解决的问题。因此,物理学绝对不仅局限于标准模型。”

Q:这是否因为大型强子对撞机(LHC)未能辨认出有关标准模型之外的粒子的证据?

希格斯玻色子的发现具有里程碑式的意义。它改变了我们对基础物理学的认知,对粒子物理学和宇宙学等其他领域都有深远的影响。我们正面临一些尚未解决的问题,这需要借助于新物理学,如新粒子及新的相互作用。目前我们还没有任何发现,但我们会继续探索的步伐。要想提高我们当前的知识水平、探索新物理学的迹象,精准测量已知粒子及其相互作用与发现新粒子同样重要。

Q:您如何通过大型强子对撞机项目解决这一问题?

“希格斯玻色子涉及到标准模型中最难懂的部分,因为希格斯玻色子以及它与其他粒子的相互作用会带来许多新问题。所以,我们需要利用现有和将来的设备提高精确度,更细致地研究希格斯玻色子,这将是通向新物理学领域的大门。在大型强子对撞机项目中,我们一方面提高对希格斯玻色子的认知,同时也在探索新粒子、新现象,探索物理学的新兴领域。”

欧洲核子研究中心最近发布了未来环形对撞机(FCC)计划。考虑到其高达250亿美元的造价,前景是否乐观?

“为了未来粒子物理学研究的需要,我们目前确实正在研究大型强子对撞机(LHC)之外的对撞机。我们现在有两个构想。一个是紧凑型线性对撞机 (CLIC),它产生的正负电子对撞能量高达380GeV到3TeV,可用于研究希格斯玻色子及顶夸克。另一个就是未来环形对撞机(FCC),它是一个周长100千米的环形对撞机,既可以作为正负电子对撞机,也可以作为质子-质子对撞机,其产生的对撞能量可达100TeV。目前,两个项目还处于设计研究阶段,尚未获得批准。欧洲粒子物理学界正在研究更新欧洲粒子物理学的未来发展路线,明年年初有望在两个项目中做出选择。紧凑型直线对撞机 (CLIC) 和未来环形对撞机(FCC)都将通过几个阶段来实现,这样花费也会分摊到几十年之中。粒子物理学的历史发展表明,当我们推动技术进步时,它会给社会带来巨大收益,因此我们应该也能够降低项目的成本。”

Q:未来环形对撞机将如何增强我们对希格斯玻色子的了解?

“未来环形对撞机作为正负电子对撞机,能让我们用前所未有的精度测量希格斯玻色子耦合(希格斯玻色子与其他粒子的相互作用力)。未来环形对撞机同时作为质子-质子对撞机能够对这些研究进行补充,它可以提供有关希格斯玻色子自身如何相互作用以及质量生成机制在宇宙历史某个特定时刻如何运作的信息。两个机器相结合,将为我们研究这一特殊而神秘的粒子的特性提供最精确的信息。”

欧洲核子研究中心创建的两大目标:建成卓越的科研中心,促进欧洲各国间的和平合作

Q:日本政府虽然对国际线性对撞机计划 (ILC) 表达了兴趣,但尚未确定是否建造。如果日本政府最终决定推进这项计划,那欧洲核子研究中心是否还会紧跟国际直线对撞机计划的脚步,建造下一台大型粒子物理学机器?

“日本政府对于建造线性正负电子对撞机的考虑表明,国际社会对希格斯玻色子这一基础物理学研究的基本工具有浓厚的研究兴趣。如果日本政府决定推进国际直线对撞机计划的话,他们会与国际社会进行协商,其中包括加拿大、欧洲、欧洲核子研究中心、美国和其他的潜在伙伴,从而加强国际合作。在这种情况下,欧洲核子研究中心很可能会选择建造质子-质子环形对撞机,与国际线性对撞机形成互补之势。”

Q:如果日本政府决定建造国际线性对撞机,而中国政府也选择自主建造周长达100千米的环形正负电子对撞机 (CEPC),那么欧洲核子研究中心是否有落后的风险?

“国际线性对撞机和环形正负电子对撞机都属于正负电子对撞机。我们还需要质子-质子对撞机产生新型重粒子,才能在能源领域和新物理学研究领域取得更大突破。未来环形对撞机中质子-质子对撞产生的对撞能量最高能达到大型强子对撞机(LHC)的10倍,这将极大提升新物理学的研究潜力。”

Q:您担任欧洲核子研究中心主任的任期已经过半。余下的任期中,您还有什么计划?

“接下来几个月,我们中心的主要目标是更新欧洲粒子物理学战略,预计2020年5月完成。我们要先确定这一领域最合适的优先发展事项,开始为后大型强子对撞机时代做好准备。过去几十年,加速器是我们在粒子物理学领域的主要探索工具,将来它们还会继续发挥至关重要的作用。目前尚未解决的问题既迫切又困难,不是某一种单一的工具就能够解决的。比如,我们还不知道寻找暗物质的最佳工具到底是什么,可能是一种加速器,可能是一种寻找星系光晕中暗物质粒子的地下探测器,可能是一项宇宙测量实验,也可能是其它设备。因此我们必须充分利用科学界在过去几十年中开发出的所有实验方法,而加速器也将发挥它们的作用。”

Q:粒子物理学领域的合作越来越广泛,甚至有数千名科学家共同合作。您认为“群体思维”存在风险吗?

“合作在基础物理学领域是非常重要的。欧洲核子研究中心汇集了来自110多个国家的17000名物理学家、工程师和技术人员。合作是基础,因为我们从事的物理学研究需要像加速器、探测器、计算基础设施等多种设备,没有一个国家独立具备这些条件。我们需要集中整合各国的人力物力,尽最大努力才能取得成功。小项目和小课题当然也能取得较大的科技突破,但却无法发现希格斯玻色子、引力波、中微子振荡等重大科技成果。我们既需要重大科技项目也需要小型科研课题,这取决于我们想要解决的问题是什么。”

Q:欧洲核子研究中心的创建理念是科学外交。中心在各项实验中是如何传播这一理念的?

“1954年,欧洲核子研究中心创建时,欧洲正处于二战后的恢复阶段。当时,欧洲核子研究中心的创建始于两大目标:建成卓越的科研中心,促进战后欧洲各国间的和平合作。实际上,欧洲核子研究中心在科研和全球合作方面已经远远超越了这两大目标。我相信,如果创建欧洲核子研究中心的先辈们看到我们64年以来所完成的成果,一定会感到骄傲和自豪。欧洲核子研究中心也将自己的价值理念传播给了位于约旦首都安曼附近的中东同步加速器光源实验科学与应用中心(SESAME)。该中心采用与欧洲核子研究中心相似的管理方式和相同的创建理念,即提供优质科学、发展实力、促进和平合作。该中心已成为欧洲核子研究中心最优秀的衍生文化。”

Q:科学外交在当今世界能发挥什么作用?

“科学具有普适性和统一性,可以在当今分裂的世界中发挥主导作用。科学具有普适性,因为它建立于客观事实而非主观观点之上,自然法则对所有国家都适用。科学具有统一性,因为对知识的探求是全人类的共同愿望。因此,科学不分国籍、不分种族、不分政党、不分性别。

“当然,像欧洲核子研究中心这样的组织无法平息地缘政治冲突。但是,它们可以破除障碍,让年轻一代在尊重和包容多样性的环境中成长。这样的组织正是对人类在求同存异的前提下取得巨大成就的完美诠释。” 

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