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自然社论文章
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2024年1月17日
美国粒子物理学家想建造一个μ子对撞机——欧洲应该参与进来
在美国进行μ介子对撞机的可行性研究可能是保持粒子物理学统一的一种负担得起的方式。 μ介子g-2储存环运输。
伊利诺伊州巴达维亚附近费米实验室的μ介子g–2实验旨在研究μ介子的特性。研究人员现在想以高能量粉碎μ子以产生其他粒子。致谢:布鲁克海文国家实验室/SPL
上个月，美国的一组研究人员展示了高能粒子物理学的未来，前景令人振奋。粒子物理项目优先排序小组（P5）的建议是应资助机构的要求提出的，以制定建设新设施的优先顺序。其中一项引人注目:推动开发一种完全不同类型的粒子对撞机，称为μ介子对撞机。这是一个大胆的建议，可能会塑造未来几十年高能物理学的面貌。这也是延续全球团结的难得机会，这是粒子物理学界的一大特点。世界其他地方的实验室，尤其是欧洲粒子物理研究所（位于瑞士日内瓦郊外的欧洲粒子物理实验室）应该为此做出贡献。
自1911年发现原子核以来，研究原子或粒子的碰撞一直是理解亚原子物质的详细性质和支配其行为的力的主要方法。在现代实验中，碰撞通常发生在高度聚焦的加速电子束或质子束之间，它们以相反的方向行进。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）是世界上能量最高的加速器，研究人员在2012年发现了希格斯玻色子粒子，方法是将质子撞在一起，观察这些高能碰撞产生的大质量粒子。
μ子对撞机将使用μ子束，这种粒子类似于电子，但重约200倍。它将使类似于质子束实验的测试成为可能，但释放的能量是质子束实验的十倍，能耗更低——可能会使其更便宜。这种机器还可以探索其他对撞机难以研究的相互作用，使研究人员能够以新的方式测试基本粒子的既定理论，即标准模型。
到达那里既不容易也不会很快。首先，研究人员还不确定这是否可行。μ子通常在高能物理实验室中产生，但它们不稳定，很快就会衰变为其他粒子。在μ子消失之前将其加速为紧密聚焦的粒子束的技术仍处于起步阶段。
为了实现这一目标，五常的作者呼吁美国“发射μ介子”——这种语言旨在让人想起20世纪60年代和70年代载人登月的阿波罗登月计划。我们的目标是首先将这项技术发展到原理验证阶段，并最终在美国本土建造一个全尺寸的μ介子对撞机。
该小组表示，这将恢复美国在最高能量物理学领域的领导地位。自1993年美国自己的大型质子对撞机——超导超级对撞机——被取消以来，美国最高能量物理学主要被让给了欧洲、欧洲核子研究中心和LHC。
展望LHC之外的未来，欧洲核子研究中心在2020年完成了一项未来战略研究，该研究也呼吁进行μ子对撞机的研究和开发。该机构随后拨出种子基金，用欧盟和一些成员国的资金来研究该计划的可行性，建立了国际μ介子对撞机合作项目。
然而，该组织没有足够的资金启动。事实上，欧洲核子研究中心的首选愿景不是建造一个μ子对撞机，而是在欧洲核子研究中心自己建造一个未来的环形对撞机（FCC）。该项目预计耗资300多亿美元，将建设一条周长90多公里的加速器隧道，比LHC隧道长三倍。它最初将安装一台电子-反电子直线对撞机，以研究希格斯玻色子的详细特性，之后将被一台质子对撞机取代，该质子对撞机产生的能量比LHC高七倍。欧洲核子研究中心支持这种方法的理由（除了让欧洲保持其在该领域的突出地位）包括一个事实，即替代技术——如μ子对撞机和利用等离子体波加速质子——尚未得到证实。但是欧洲核子研究中心的FCC项目的质子粉碎阶段也需要推动几种技术——特别是超导磁体——大大超出其当前状态。即使假设它得到资助并最终建成，联邦通信委员会的质子对撞机可能要到21世纪70年代才能启动；因此，研究人员提议建造一个中间电子对撞机。欧洲核子研究中心的物理学家认为，这项工作将使他们忙于研究希格斯粒子，并在此后的几十年里保持实验室的相关性。
甚至一些支持FCC的物理学家也承认，建造对撞机还没有强有力的科学依据。到目前为止，实验未能发现任何超出标准模型描述的物理现象的实质性线索，这些物理现象发生在FCC产生的较高能量下。研究希格斯粒子可能有更便宜、更简单的方法，比如用线性电子-反电子对撞机。一些物理学家说，直线对撞机不仅比圆形的“希格斯工厂”便宜，还可以对希格斯玻色子进行更精确的研究。
考虑到涉及的公共资金数额，不可能完全将地缘政治排除在外。但此类项目的理由不一定与特定国家或地区的领导力有关。支持μ介子对撞机的一种更有效的方式是，物理学家将此视为一项真正的全球努力。它为美国、欧洲核子研究中心和其他地方的粒子物理学家提供了一个机会，让他们集思广益，确定μ介子对撞机是否可行，如果可行，成本如何，以及谁可以提供专业知识和设施。如果成功的话，世界各地的粒子物理学家可能会获得一种令人兴奋的——也可能更实惠的——探索自然的方式。
《自然》杂志2024年第625期第423-424页
https:///10.1038/d41586-024-00105-9
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