中国能否胜出?中日美欧之间的对撞机竞赛

2012年,全球最大的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)发现希格斯玻色子,这一事件在物理学界激起阵阵涟漪,不仅参与的科学家荣膺诺贝尔奖,而且也促使日本科学家积极推动让该国成为LHC“继任者”所在地。下一代对撞机将基于LHC取得的成果而建立,并将详细测量希格斯玻色子以及其他已知或很快“现身”的粒子的属性。中国能否胜出?中日美欧之间的对撞机竞赛不过,8月8日起于美国芝加哥举行的国际高能物理大会(ICHEP)上,科学家们进行的讨论表明,他们对于粒子物理学下一步该何去何从并没有太明确的打算,这在很大程度上取决于LHC是否能揭示超越粒子物理学标准模型的现象,以及中国建造LHC“继任者”的计划能否继续推进。中国能否胜出?中日美欧之间的对撞机竞赛

日本:提议建造国际线性对撞机当日本科学家提议由该国建造国际线性对撞机(ILC)时,一组国际科学家已画出了设计草图。ILC将使正负电子沿着31公里长的轨道进行对撞。相较之下,LHC只有27公里长,并且是让质子在位于欧洲核子研究中心的一个环形轨道中进行对撞。中国能否胜出?中日美欧之间的对撞机竞赛由于质子是由夸克组成的复合粒子,因此对撞会产生大量碎渣;而在ILC内发生对撞的粒子是基本粒子,因此,其对撞更清洁且更适于精确测量,有望揭示偏离预期行为的现象,从而揭开超越标准模型的物理学研究。

对物理学家来说,对希格斯玻色子和最重的“顶夸克”展开详细研究的机会,足以构成建造该设备的理由。人们希望日本文部科学省(MEXT)今年就该国是否建造该设施(将于2030年左右开始实验)给出明确答复。但为MEXT提供建议的日本专家组去年表示,研究希格斯玻色子和顶夸克的机会无法单独成为建造ILC的理由,需要等到原定于2018年进行的LHC首次最大能量运行结束后再做决定。日本高能加速器研究机构总干事山内正德(音译)表示,如果LHC发现了新现象,它们将为ILC的研究添加更多“原料和养分”,并且将大大增强人们建造高精确度对撞机的信心和决心。美国物理学家一直支持建造一台线性对撞机。山内正德介绍说,由MEXT和美国能源部组成的联合小组正在讨论降低ILC成本的方法。目前,ILC的预估开支为100亿美元。虽然最终有可能将开支减少约15%,但在正式同意主导建造ILC之前,日本还需要来自其他国家的资助承诺。中国:希望研制环形正负电子对撞机在建造大型对撞机方面,中国科学家也信心满满。在发现希格斯玻色子几个月后,由中科院高能物理研究所所长王贻芳领导的物理学家团队提出了在本世纪30年代主导建造对撞机的计划。该对撞机也将获得来自国际社会的部分资助,并且专注于对希格斯玻色子和其他粒子进行精确测量。中国能否胜出?中日美欧之间的对撞机竞赛这台50到100公里长的环形正负电子对撞机可能达不到ILC的能量。但它需要制造一个通道,从而使质子—质子对撞机(和LHC类似,但大很多)以更低的成本建造出来。王贻芳在ICHEP上介绍说,他和他的团队将继续这一项目的研发工作。目前,他们计划集中精力提高国际社会对该项目的兴趣。欧洲:忙于提高质子束密度或升级LHC欧洲核子研究中心(CERN)则打算在未来建造周长为100公里的环形加速器,以7倍于LHC的能量让质子发生对撞。不过,直到本世纪30年代中期,CERN将会一直忙于提高LHC质子束的密度而非能量。届时,中国或许已经有了建造一台质子—质子对撞机的合适通道,从而使CERN更难获得针对“超级LHC”的资助。CERN总干事法比奥拉·吉亚诺蒂提出了一个过渡想法:通过在2035年左右安装新一代超导磁体,使LHC的能量获得有限的提高——从14兆兆电子伏(TeV)增加到20TeV。如果LHC在14TeV的能量状态下发现了新的物理学现象,这将不啻为一个好方案。与此同时,其50亿美元的开支将由CERN常规预算之外的经费支付。尽管如此,LHC或者其上面提出的任何“继任者”都无法保证能发现新物理学,因此,在ICHEP会议上,有科学家表示,庞大的资金是否应该花在其他项目上而非建造日益庞大的加速器上。比如,美国就将宝压在中微子而非对撞机上,他们认为,这种“幽灵粒子”有望揭示超越标准模型的物理学现象。费米国家加速器实验室的科学家希望通过主导耗资10亿美元的长基线中微子设施(将于2026年开始朝多台探测器发射中微子束)的建设,从而使该实验室成为全球中微子物理学家们的“圣地”。科学家们打算于2017年从美国国会为这一项目申请资金。谁会成为这场粒子物理学马拉松比赛的冠军,我们拭目以待。?

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