緊湊型直線對撞機撞出新未來

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本報記者劉霞

沒人敢小瞧大型強子對撞機(LHC).它是當今世界最強大的粒子加速器,能量和研究物理學前沿的能力一騎絕塵,其他對撞機只能望其項背.但“一剎那的光輝並不代表永恆”.最終,在2035年左右,這個27公里的環形能量場將會偃旗息鼓.之後呢?

有不少團隊提出了下一個大型對撞機的設計理念.據美國趣味科學網站近日報導,其中一種被稱為“緊湊型直線對撞機”(CLIC).研究團隊稱,CLIC有望以更簡潔的方式製造出大量希格斯玻色子,以揭示其“真實面貌”、它和頂夸克之間的關係,甚至發現新物理學的“蛛絲馬跡”.

清華大學工程物理系副教授楊振偉也對科技日報記者說:“我們現在需要精細研究希格斯玻色子的各種性質,一方面會豐富我們對自然的認識,另一方面可能會發現某些'瑕疵'或者'烏雲',從而打開自然界新的大門.”

比LHC更簡潔

LHC讓一些被稱為強子的重粒子彼此對撞——這也是該設備得名的由來,我們耳熟能詳的質子和中子,就是強子這個微觀粒子家族最常見的代表.

在LHC內,強子一圈又一圈地旋轉,直到速度接近光速並開始對撞.儘管LHC的對撞能量無可匹敵,但整個事情卻有點混亂.畢竟,強子是一些更小、更基本的物質的組合,因此,當對撞的強子分崩離析時,它們的“內臟”會散落一地,使分析變得複雜.

相比之下,CLIC的設計更加簡潔. CLIC不加速強子,而是加速電子和正電子,這是兩種“體重”較輕的基本粒子.與LHC的環形不同,CLIC將沿直線加速粒子,加速距離11公里到50公里不等——取決於最終的設計.

研究人員稱,目前的計劃是:2035年,也就是LHC“功成身退”之時,CLIC將“低調”啟動.第一代CLIC將以3800千兆電子伏(GeV,或吉電子伏)的能量運行.事實上,即使CLIC以3萬億電子伏(TeV)全速運行,也不到LHC目前能量的三分之一.

聽起來,CLIC似乎有點遜,那建造它有何意義呢?

希格斯“捕手”

CLIC給出的答案是:它能更“聰明”地工作.

LHC的主要科學目標之一是尋找希格斯玻色子,完成科學家們一直以來的夙願.希格斯玻色子能賦予基本粒子質量.早在20世紀80年代和90年代,當LHC項目立項時,人們甚至不確定希格斯粒子是否存在,也不知道它的質量和其他特徵.因此,必須建造一台通用裝置,以窮盡各種可能證明其真的存在.

2012年7月4日,歐洲核子研究中心(CERN)的科學家興奮地宣布,他們藉助LHC,發現了希格斯玻色子. “姍姍來遲”的希格斯玻色子是粒子物理學標準模型中最後一個“現身”的粒子,是粒子版圖的最後一塊“拼圖”.

該研究團隊稱,既然現在知道希格斯玻色子是真實存在的,我們可以製造出盡可能多的希格斯玻色子,收集大量有趣數據,以更多地了解這種神秘但基本的粒子.

發現新物理學的“蛛絲馬跡”

波蘭華沙大學物理學家、CLIC合作組成員亞歷山大⋅菲利普⋅扎內基在最新論文中,基於探測器和粒子碰撞的複雜模擬,闡釋了該科學裝置的設計現狀.

他表示,CLIC有望在一個乾淨、易於研究的環境中盡可能多地製造出希格斯玻色子,以便我們對該粒子有更多了解:是否存在多種不同的希格斯玻色子?希格斯玻色子之間是否會相互“交流”?希格斯玻色子與亞原子物理學標準模型中的其他所有粒子的相互作用有多強?

同樣的原理也適用於頂夸克,這是最不為人所知、最稀有的一種夸克.清華大學工程物理系副教授張黎明解釋說,標準模型中共有6種夸克:上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克.頂夸克是最後一個被發現的夸克,有點“孤僻”——因為它一“出生”就立刻衰變,不跟任何夸克配對成強子.

研究人員指出,即使在初始階段,CLIC也將能製造出大約100萬個頂夸克,對於LHC和其他現代對撞機來說,這是一個駭人聽聞的數字. CLIC研究小組希望在此基礎上研究頂夸克是如何衰變的.儘管頂夸克的產生及其某些衰變模式都非常罕見,但有了100萬個頂夸克,科學家們或許會從中發現一些端倪.

故事到此並沒有結束.除了製造出更多希格斯玻色子和頂夸克外,CLIC的巧妙設計使其能突破標準模型的邊界.通過製造出大量希格斯玻色子和頂夸克,CLIC有望發現新物理學的“蛛絲馬跡”.如果存在某種奇特粒子(粒子物理學標準模型無法解釋的粒子)或相互作用,它會微妙地影響這兩種粒子的行為,即它們的衰變和相互作用.

此外,CLIC甚至可能產生暗物質粒子.暗物質是一種神秘的、看不見的物質.當然,該科學裝置無法直接看到暗物質(因為它是暗的),但如果碰撞的能量或動量消失了,研究人員立刻就會發現.

楊振偉說:“LHC正在升級,2025年左右會升級成高亮度LHC.從現在到2035年還有16年時間,誰知道16年時間內會發生什麼事情呢?雄關漫道真如鐵,而今邁步從頭越!如果我們想有一個很好的機會來了解宇宙中已知的粒子並發現一些新粒子,不管LHC能否發現新東西,我們都應該繼續前行,並從現在開始著手努力.”

楊振偉還表示:“CLIC的主要特點跟它的名字一樣,就是'緊湊',它可以在較短距離內將能量加速到3TeV,造價相對較低,如果能夠建成,確實是研究希格斯玻色子的利器.目前還處於研發階段,如果能實現,將是我國科學家提議的大科學裝置環形正負電子對撞機(CEPC)的一個重要競爭者.”

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