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粒子物理学:共同走向下一个前沿

2014-12-04  物理网文

粒子物理学:共同走向下一个前沿

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当有新成员冲击古老的目标之时,尼吉尔·洛克耶(Nigel Lockyer,费米实验室主任)呼吁下一代粒子物理项目在全球范围内协调开展。

 

2013年是粒子物理学的一个分水岭。旨在发现希格斯玻色子的长达数十年的探索基本完成。尽管诺贝尔奖颁发给希格斯的预测之后仍然存在杂音,但粒子物理学界感觉满意。该是暂停下来,进行反思并考虑下一步怎么走的时候了。

希格斯玻色子是粒子物理学标准模型拼图中的最后一块,但该模型并不能解释我们宇宙的一些基本方面。从中微子的微小的质量到暗物质和暗能量,我们知道有更多的存在。但下一个线索可能藏身于何处呢?

我们真的不知道。每个物理学家都有他或她自己的想法,各个国家和地区都在准备尝试不同的战略以找到最为成熟的探索领域。我们所知道的是,下一代粒子加速器将会非常昂贵。并且,对于政府的拨款要求与全球各地的财政紧缩是相对立的。

作为位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室(费米实验室)的新主任,我花费了刚刚过去的6个月的时间对美国粒子物理学的未来进行了讨论。但粒子物理学是一项国际性的事业,有着来自许多不同国家的计划和参与者。美国在有些领域处于领先地位,比如在中微子物理研究方面,但全球形势并不明朗。资源需要汇集,新成员在不断涌现。中国和印度的人才、基础设施和雄心现在必须被分解为全球方程的因子。

我们正处于这一领域的关键时刻。每个国家以及重大项目都必须考虑到其对总体事业的影响。机会是巨大的:形成一个真正促进发展,并结合不同力量的连贯途径。但风险也差不多一样大:不能在主要成果上达成一致意见,失去国际合作伙伴,在太多的已批准项目的螺旋式下降中牺牲了进步。

超越希格斯粒子

与希格斯粒子相邻的高能前沿将很快处于目前世界上能量最高的加速器——位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室的大型强子对撞机(LHC)的有效范围之内。到2015年初,经过两年的升级后再次启动时,机器的运行将接近设计的14万亿电子伏(TeV)能量级——这大约是希格斯粒子被发现时的两倍。当前,标准模型已经完成,任何新粒子的发现都将导致我们物理观的革命性的变革。

此外,有计划于21世纪20年代升级LHC,以提供更明亮的光束和能够处理可能产生的巨大数据的探测器。即使是最温和的升级也将花费大约十亿美元,这要求非会员国与会员国一样提供资助。

   其他一些前沿也大有发展前景。我们仍然不知道中微子之间是如何相互作用的,在早期宇宙它们微小的质量和功能源于何处。费米实验室正在领头开展一项长距离中微子束实验计划,该实验将从费米实验室到南达科他州的姆斯塔克矿,运行1 300公里。去年7月,美国社团在明尼苏达州举办了一个为期10天的规划研讨会,讨论作为首选项目的雄心勃勃的位于地下近1 500米的35千吨液氩探测器。这将有助于我们了解中微子的质量,以及这些粒子对于宇宙的物质——反物质不对称性的形成是否有所贡献。

该建筑的总预算接近十亿美元,实验需要国际合作伙伴——这是美国本土科学发展的新途径。美国能源部的科学办公室曾表示如有来自欧洲和亚洲的参与,将支持这一重大方案。

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大型强子对撞机

 

无论在何处,长基线的中微子实验是必须的。可选择的方案已摆在桌面上:一个在欧洲,中微子从CERN运行到芬兰;另一个是中微子穿越日本。世界只能为其中一个提供资助。

日本可能是最强劲的竞争对手,中微子物理、底夸克工厂、K介子和μ介子等实验,都是其领先项目。该国希望主办国际直线对撞机(ILC)——一个30公里长,5千亿电子伏的正负电子对撞机以研究希格斯玻色子,这将超越LHC在21世纪20年代后期的精确度。该建设有望于10年后启动。

接力棒传递

由于我们无法确定接下来大有作为的能量范围,许多粒子物理学家认为,我们的目标应该尽可能地高。有人主张建造更高能量级的轻子对撞机,如μ子对撞机或者是达到3-5TeV的紧凑型直线对撞机(ILC的一个欧洲高能竞争对手)。欧洲正在组建一个团队,设计一个100TeV的质子-质子对撞机,具有周长为100公里的隧道,来探测任何粒子,这些粒子可能在LHC升级后被发现,也可能是其能量级以外的。该机器可在21世纪30年代启动。

在2011年关掉费米实验室的粒子加速器和20世纪90年代没能正确认识超导超级对撞机之后,美国仍然有雄心主办一个高能前沿的机器。也许高能接力棒可被传回美国。费米实验室在质子加速器的高场磁体方面,仍是世界领先,这对于任何100TeV的质子-质子对撞机都是必要的。

中国的角色正在转变,这增加了悬念。这一粒子物理学历史上曾经的小成员,去年登上了世界舞台,它在反应堆驱动中微子物理方面取得了优异的成绩,显示了三种中微子混合中的两种,大大超过预期。这一大型混合意味着中微子和反中微子之间根本的对称性差异在长基线实验中是可观察到的,它告诉我们早期宇宙中物质和反物质的不平衡性。在这一事件的激励下,中国可能会通过主办100TeV的机器而超越世界吗?尽管中国在设计和建造方面需要世界其他各国的帮助,但该机器在中国建造会更便宜。

全球对话

物理学家不在乎他们在哪里做研究。但粒子物理项目的巨大规模意味着所有新的大型加速器都需要全球规划、协作和联合建设。世界各国政府都将不得不在其他国家进行史无前例的财政投入,挑战传统的政治考量,即为了直接的、短期的收益而将公共税款主要花费在民生上的做法。

各国政府都在试图了解哪些模式最适合他们的国家利益。“人才引进和流失”的说法变少,“人才环流”的说法变多。国家和知识界通过参与到全球对话中茁壮成长,而并不必须拥有大多数人员。

必须注意的是,要确保主要区域性的实验室的健康运转,如CERN、费米实验室和日本筑波的高能加速器研究机构:这些是大型粒子物理项目目前可行的仅有的地方。来自新兴经济体(比如中国)主办其他项目的要求,将挑战现有领导者的长远计划。美国和欧洲的科学家们将不得不找到一条将国际竞争作为在自己的土地上推进项目的一种激励措施的最佳途径,同时仍然有着良好的国际合作伙伴。这可能会变得相当棘手。

希格斯玻色子没有出口控制,也不是由先进望远镜在深远的太空看到的图景。但已开发出的技术通常是通过国际合作产生的,可能有着双重用途——国防应用或经济收益,比如,和用于基础科学一样。各国将不得不决定如何负责地监督和利用这些机遇。

粒子物理学的领导者们在定义和维护全球方案中,需要有更多的声音和雄心。毕竟,一套全球性粒子物理设施有助于我们理解宇宙是如何运转的。

[资料来源:Nature][责任编辑:彦 ]

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