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紧凑型直线对撞机撞出新未来

北极蚊子 2019-9-2 20:58

没人敢小瞧大型强子对撞机(LHC)。它是当今世界最强大的粒子加速器,能量和研究物理学前沿的能力一骑绝尘,其他对撞机只能望其项背。但“一刹那的光辉并不代表永恒”。最终,在2035年左右,这个27公里的环形能量场将会偃旗息鼓。之后呢?

有不少团队提出了下一个大型对撞机的设计理念。据美国趣味科学网站近日报道,其中一种被称为“紧凑型直线对撞机”(CLIC)。研究团队称,CLIC有望以更简洁的方式制造出大量希格斯玻色子,以揭示其“真实面貌”、它和顶夸克之间的关系,甚至发现新物理学的“蛛丝马迹”。

清华大学工程物理系副教授杨振伟也对科技日报记者说:“我们现在需要精细研究希格斯玻色子的各种性质,一方面会丰富我们对自然的认识,另一方面可能会发现某些‘瑕疵’或者‘乌云’,从而打开自然界新的大门。”

比LHC更简洁

LHC让一些被称为强子的重粒子彼此对撞——这也是该设备得名的由来,我们耳熟能详的质子和中子,就是强子这个微观粒子家族最常见的代表。

在LHC内,强子一圈又一圈地旋转,直到速度接近光速并开始对撞。尽管LHC的对撞能量无可匹敌,但整个事情却有点混乱。毕竟,强子是一些更小、更基本的物质的组合,因此,当对撞的强子分崩离析时,它们的“内脏”会散落一地,使分析变得复杂。

相比之下,CLIC的设计更加简洁。CLIC不加速强子,而是加速电子和正电子,这是两种“体重”较轻的基本粒子。与LHC的环形不同,CLIC将沿直线加速粒子,加速距离11公里到50公里不等——取决于最终的设计。

研究人员称,目前的计划是:2035年,也就是LHC“功成身退”之时,CLIC将“低调”启动。第一代CLIC将以3800千兆电子伏(GeV,或吉电子伏)的能量运行。事实上,即使CLIC以3万亿电子伏(TeV)全速运行,也不到LHC目前能量的三分之一。

听起来,CLIC似乎有点逊,那建造它有何意义呢?

希格斯“捕手”

CLIC给出的答案是:它能更“聪明”地工作。

LHC的主要科学目标之一是寻找希格斯玻色子,完成科学家们一直以来的夙愿。希格斯玻色子能赋予基本粒子质量。早在20世纪80年代和90年代,当LHC项目立项时,人们甚至不确定希格斯粒子是否存在,也不知道它的质量和其他特征。因此,必须建造一台通用装置,以穷尽各种可能证明其真的存在。

2012年7月4日,欧洲核子研究中心(CERN)的科学家兴奋地宣布,他们借助LHC,发现了希格斯玻色子。“姗姗来迟”的希格斯玻色子是粒子物理学标准模型中最后一个“现身”的粒子,是粒子版图的最后一块“拼图”。

该研究团队称,既然现在知道希格斯玻色子是真实存在的,我们可以制造出尽可能多的希格斯玻色子,收集大量有趣数据,以更多地了解这种神秘但基本的粒子。

发现新物理学的“蛛丝马迹”

波兰华沙大学物理学家、CLIC合作组成员亚历山大⋅菲利普⋅扎内基在最新论文中,基于探测器和粒子碰撞的复杂模拟,阐释了该科学装置的设计现状。

他表示,CLIC有望在一个干净、易于研究的环境中尽可能多地制造出希格斯玻色子,以便我们对该粒子有更多了解:是否存在多种不同的希格斯玻色子?希格斯玻色子之间是否会相互“交流”?希格斯玻色子与亚原子物理学标准模型中的其他所有粒子的相互作用有多强?

同样的原理也适用于顶夸克,这是最不为人所知、最稀有的一种夸克。清华大学工程物理系副教授张黎明解释说,标准模型中共有6种夸克:上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。顶夸克是最后一个被发现的夸克,有点“孤僻”——因为它一“出生”就立刻衰变,不跟任何夸克配对成强子。

研究人员指出,即使在初始阶段,CLIC也将能制造出大约100万个顶夸克,对于LHC和其他现代对撞机来说,这是一个骇人听闻的数字。CLIC研究小组希望在此基础上研究顶夸克是如何衰变的。尽管顶夸克的产生及其某些衰变模式都非常罕见,但有了100万个顶夸克,科学家们或许会从中发现一些端倪。

故事到此并没有结束。除了制造出更多希格斯玻色子和顶夸克外,CLIC的巧妙设计使其能突破标准模型的边界。通过制造出大量希格斯玻色子和顶夸克,CLIC有望发现新物理学的“蛛丝马迹”。如果存在某种奇特粒子(粒子物理学标准模型无法解释的粒子)或相互作用,它会微妙地影响这两种粒子的行为,即它们的衰变和相互作用。

此外,CLIC甚至可能产生暗物质粒子。暗物质是一种神秘的、看不见的物质。当然,该科学装置无法直接看到暗物质(因为它是暗的),但如果碰撞的能量或动量消失了,研究人员立刻就会发现。

杨振伟说:“LHC正在升级,2025年左右会升级成高亮度LHC。从现在到2035年还有16年时间,谁知道16年时间内会发生什么事情呢?雄关漫道真如铁,而今迈步从头越!如果我们想有一个很好的机会来了解宇宙中已知的粒子并发现一些新粒子,不管LHC能否发现新东西,我们都应该继续前行,并从现在开始着手努力。”

杨振伟还表示:“CLIC的主要特点跟它的名字一样,就是‘紧凑’,它可以在较短距离内将能量加速到3TeV,造价相对较低,如果能够建成,确实是研究希格斯玻色子的利器。目前还处于研发阶段,如果能实现,将是我国科学家提议的大科学装置环形正负电子对撞机(CEPC)的一个重要竞争者。”

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