1.

在法国和瑞士鸿沟,有一个不寻常的当地。在那片土地的地下深处,运转着国际上最大(周长27公里)、能量最高的环形粒子加快器——大型强子对撞机(LHC)。

原子是咱们所了解的,它由原子核和电子组成。氢原子是最简略的原子,由一个电子和一个质子组成。在电场中,氢原子中的电子很简略被剥离,只留下质子。

LHC中的主角,正是被留下来的质子。科学家的方针是要让很多的质子进行对撞,它们之间的磕碰次数越多,也就越有时机观测到稀有的事情!

但在对撞之前,质子会被加快到挨近光的速度。电磁和磁场是粒子加快器的要害:由于质子带有正电荷,因而它们会在电场中加快,并在磁场的引导下绕着环形的地道加快行进。

在LHC于2008年正式投入运转以来,短短的几年间,就发现了早在1960年代就被预言的天主粒子——希格斯玻色子

○ 在LHC的两个试验中发作的希格斯是玻色子候选事情。

2.

希格斯玻色子的发现是粒子物理学规范模型最巨大的成功。但更令人兴奋可是,它的发现为研讨拓荒了一条新的路途,由于希格斯玻色子很或许会指引咱们找到新物理(即逾越规范模型的理论)。因而,物理学家火急的想要进一步了解希格斯玻色子的实质。

一起,物理学中的许多终极奥妙仍对咱们坚持其奥秘的姿势:什么是暗物质?为什么国际是由物质,而不是反物质组成的?……要回答这些问题,咱们需求更大的打破。

1月15日,未来环形对撞机(Future Circular Collider,FCC)团队发布了一个全新的粒子加快器的概念规划陈述,这一方案足以让LHC相形见绌。一旦取得同意,它将成为LHC的继任者,协助物理学家寻觅那些最大疑团的答案。

FCC的选址仍是日内瓦,就在LHC的周围。这一次,他们方案将绕着日内瓦和周围的村庄,在地底下缔造一条长为100公里的环形地道。到时,一旁的LHC将会像高速公路上的沟通道那样,将加快过的粒子送入这个能量更强的新对撞机中。这样一来,粒子能以在LHC中7倍的能量进行对撞,这样的碰击所能创造出的粒子将彻底超出LHC的能量所及规模——使粒子物理学进入一个尚未被探究过的微观范畴。

○ LHC和FCC的巨细比较。

3.

建成后的FCC绝非一个简略的粒子加快器。它可分为不同的阶段以进行不同的试验。第一阶段的想象是让它成为一台让电子与它的反物质——正电子——对撞的机器。

依据现有理论,一切的粒子都有其对应的反物质,它们的性质简直彻底相同,仅仅带有相反的电荷。当物质和反物质粒子相遇时,它们会湮灭,一切的能量都转化成为新的粒子。


○ 当物质和反物质相遇时,会发作湮灭,一切的能量都会以光子的方式开释。

在FCC这样的对撞机中,研讨人员能够十分精准地操控对撞时的能量。LHC是一台质子对撞加快器,相比之下,FCC里的电子-正电子对撞愈加“洁净”、明晰得多。这是由于质子与电子不同,它们并不是基本粒子,而是由更小的夸克和胶子组成的。因而当质子发作对撞时,它们内部的这些结构会被喷得到处都是,这大大增加了在对撞残骸中发现新粒子的难度。

○ FCC。

电子-正电子对撞机的首要方针是研讨希格斯玻色子。希格斯玻色子与其他基本粒子的质量来源有关,而新的对撞机将能够发作数以百万计的希格斯玻色子,然后能使科研人员对其性质进行史无前例的详尽丈量,这对找到新的发现至关重要。

特别诱人的是,希格斯粒子能够充任一个通道,连接着咱们地点的一般原子物质国际和一个躲藏着的粒子国际。在国际中,85%的物质是“暗的”、由咱们无法看见的粒子组成的。咱们之所以知道它的存在,是由于它对周围的物质所施加的引力。令人兴奋的是,电子-正电子对撞机或许能提醒希格斯玻色子衰变成这些躲藏的粒子。

在第二阶段,对撞机将进入质子-质子对撞,其对撞能量可高达100万亿电子伏特,它能够制造出很多让物理学家置疑存在、但又无法通过LHC发作的新粒子。

而且,它简直能对大多数方式的暗物质或许所在的能量规模进行全面探究。不仅如此,它还能勘探国际在大爆炸后的万亿分之一秒内所在的条件,这是国际历史上的一个重要时刻,由于就在那时,希格斯场(一种无处不在的能量场,希格斯玻色子便是其间的一个小小涟漪)会坍缩成现在的状况,而这种状况正是使得基本粒子发作质量的原因。

了解希格斯场是怎么取得当时能量的是物理学中最为杰出的问题之一,由于它好像有必要通过精密到难以置信的微调,才干使得原子(以及后来的恒星、行星和人类……)得以存在。

4.

依照方案,新的对撞机的第一阶段将会在LHC的最终一次晋级之后投入运转,时刻估计是2040年代。而第二阶段运转的质子对撞机,将于2050年代开端装置。这两个项目都需花费昂扬的资金:依据现在的预算,正-负电子对撞机将需求90亿欧元,更强壮的质子对撞机则需求150亿欧元。这引发了不小的对立声响 ,这是能够了解的。很多人以为如此很多的资金应被更好地用于其他愈加急迫的范畴,例如应对气候变化等等。

约翰·沃默斯利(John Womersley)是参加了FCC方案的资深物理学家,他表明,除了根底知识本身的价值,FCC也能带来一些严重的短期利益。他说:“FCC将推进立异技能的开展以处理新的应战。万维网、Wi-Fi和核磁共振成像仪中的超导磁体,都曾是为了满意根底物理学的需求而开发的。”能够信任,这个项目所蕴藏的潜能是巨大的。

但是,要完成这样一个雄心壮志的方案,还有必要要有数十个国家供给资金与技能上的协作。现在,已经有来自国际各地的150所大学、研讨机构和工业同伴的1300多名参加者加入了这一方案。与此一起,我国的环形正负电子对撞机(Circular Electron Positron Collider, CEPC)研讨工作组在2018年11月也发布了概念规划陈述。这是一个与FCC相似的对撞机项目。

FCC的支持者们期望该项目能在2020年出书的《欧洲粒子物理学新战略》中得到采用。一旦它得到认可,他们就将开端一个绵长的研讨和开展过程;而且需求压服各国政府和大众,通知他们——在对撞机上进行的那些根底研讨,是值得投入如此巨大的资金的。

能够预见的是,这一项目在各个方面都将面对巨大的应战,但物理学家想要更深化地探究和了解国际的决计,是绝不会畏缩的。

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