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专访欧洲核子研究中心主任:欧洲大型强子对撞

2019-11-13 15:17
欧洲核子研究中心公布下一代超级对撞机构想

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新华社日内瓦1月15日电欧洲核子研究中心15日公布了“未来环形对撞机”的概念设计报告,提出投巨资分两步建设下一代超级对撞机,计划在本世纪50年代完成建设。

撰文 | Michael Banks Richard Blaustein

在粒子物理研究中,科学家需要用加速器使微小的粒子获得极高的速度,然后让它们碰撞,观察相关结果。欧洲核子研究中心现在运营着位于瑞士与法国边境的大型强子对撞机,这是目前世界上最大的粒子加速器。根据新报告,“未来环形对撞机”将成为大型强子对撞机的继任者。

翻译 | 殷有薇

欧洲核子研究中心加速器和技术总监弗雷德里克·博尔德里说,“未来环形对撞机”的最终目标是提供一个100公里长的环形超导质子加速器,其能量可达100万亿电子伏特,比现有的大型强子对撞机高一个数量级。

校译 | 杨岭楠

beat365亚洲官方网站,根据这份报告,“未来环形对撞机”的建设将分两步进行。第一步是投入90亿欧元,完成100公里的隧道建设,并建设一个大型的正负电子对撞机,预计这一步工作可在2040年前后完成;第二步是再投入150亿欧元,完成超导质子加速器的建设,预计能在本世纪50年代后期投入使用。

欧洲核子研究中心主任法比奥拉·吉亚诺蒂(Fabiola Gianotti)接受《物理世界》杂志采访时提到,实验室正在计划下一项粒子物理学的重大实验,它将超越大型强子对撞机。

该中心表示,“未来环形对撞机”构想如能实现,将以前所未有的能量让基本粒子碰撞,能用于精确研究希格斯粒子之间如何相互作用,还有助于探索暗物质、反物质等。

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机目前正在进行重大升级,升级完成后亮度将提高10倍。

“和粒子物理的现状一样,欧洲核子研究中心正处于发展过程中的一个十字路口”,迈克尔·班克斯(Michael Banks)这样写道。2012年,欧洲核子研究中心发现希格斯玻色子,自此之后大型强子对撞机一直持续创造出大量的希格斯玻色子,但至今并未发现任何超出标准模型的粒子,这很大程度上让人感到失望和困惑。大型强子对撞机目前已被关闭,进入大规模升级的第一阶段,升级完成后其亮度将提升至原先设计值的10倍以上。物理学家们希望2026年对撞机升级完成重新运转后,会有大量新粒子被探测器发现。

然而有些人认为 “新物理学” 的最佳突破路径可能是对希格斯玻色子的精准研究,而这只能通过电子碰撞正电子来实现。这种碰撞比大型强子对撞机中的质子-质子碰撞更精准,因为后者会产生影响测量精度的碎片。鉴于粒子对撞机需要数十年的时间才能运行起来,粒子物理学家对此素有远见,已在着手制定一个电子-正电子对撞机的计划,一旦大型强子对撞机在本世纪30年代中期被最终关闭,新的对撞机将立刻启动。

其中一个领先设计方案是国际线性对撞机计划,日本粒子物理学界最初表达了对该项目的兴趣。然而,与同类规模的粒子物理项目一样,成本的上升迫使设计师将其运行的能量减半到 250GeV,日本政府也是最近才表示出对该项目的兴趣。欧洲核子研究中心拥有一个自己的线性电子-正电子对撞机方案(名为 “紧凑型线性对撞机”),它的工作能量将高于国际线性对撞机。400GeV以上的线性机器有一大优点——它们产生的亮度高于环形对撞机,因为在环形对撞机中,电子在环型轨道行进时会发射同步辐射,导致能量的损失。

然而,低于该阈值时,环形对撞机亮度更高。鉴于希格斯玻色子的质量仅为125GeV,环形机器可能是下一步推动的方向,特别是粒子物理学家们拥有数十年建造这些设备的经验,而同时他们可将多个探测器安置在环形周围。但环形对撞机最大的缺点莫过于工程规模之巨大。未来欧洲核子研究中心的环形对撞机以及中国的环形正负电子对撞机都设想建造一个巨大的地下储存环,周长约100千米。即使今后隧道可以升级并容纳100TeV的质子-质子对撞机,这些工程的造价都可谓不菲。

欧洲粒子物理学界正准备更新未来战略,确认一个首选设计方案,接下来的一年对于下一个对撞机的规划至关重要。2019年2月,美国科学促进会2019年年会在华盛顿举行。美国科学作家理查德·布劳斯坦(Richard Blaustein)在会上采访了时任欧洲核子研究中心的主任法比奥拉·吉亚诺蒂,想更多地了解粒子物理研究的现状。吉亚诺蒂正值任期第三年,将于2020年底到任。

法比奥拉·吉亚诺蒂:在欧洲核子研究中心的生涯

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法比奥拉·吉亚诺蒂,1960年出生于罗马,1989年获得米兰大学实验粒子物理学博士学位。1994年起,就职于欧洲核子研究中心,成为物理学部的一名物理学研究员,从事中心的多项实验,参与了探测器研发建设、软件研发和数据分析等。

2009年,她被任命为超环面仪器实验发言人,与时任紧凑渺子线圈探测器发言人的乔·因坎代拉(Joe Incandela)一起在2012年7月4日举办的欧洲核子研究中心研讨会上展示希格斯玻色子的研究成果(因采用漫画风格手写字体而出名)。

2016年1月1日,吉亚诺蒂接替罗尔夫·迪特尔·霍耶尔(Rolf-Dieter Heuer)出任欧洲核子研究中心主任,成为首位担任这一职务的女性。吉亚诺蒂的任期将一直到2020年底。

Q:距离发现希格斯玻色子已近7年,您能否概括一下粒子物理学的发展现状?

“就粒子物理学而言,我们正处于一个令人振奋的时代。一方面,标准模型非常成功地描述了已知的基本粒子及其相互作用。随着最后一块 “缺失的拼图” 希格斯玻色子于2012年被大型强子对撞机发现,标准模型预测的所有粒子都已被发现。此外,在过去的几十年中,欧洲核子研究中心和世界各地的实验室已经通过极其精密的实验验证了标准模型的预测。另一方面,标准模型还不是粒子物理学领域的终极理论,因为它仍然无法解释一些现象,比如暗物质、宇宙中物质对反物质的支配地位和其他一些尚未解决的问题。因此,物理学绝对不仅局限于标准模型。”

Q:这是否因为大型强子对撞机未能辨认出有关标准模型之外的粒子的证据?

希格斯玻色子的发现具有里程碑式的意义。它改变了我们对基础物理学的认知,对粒子物理学和宇宙学等其他领域都有深远的影响。我们正面临一些尚未解决的问题,这需要借助于新物理学,如新粒子及新的相互作用。目前我们还没有任何发现,但我们会继续探索的步伐。要想提高我们当前的知识水平、探索新物理学的迹象,精准测量已知粒子及其相互作用与发现新粒子同样重要。

Q:您如何通过大型强子对撞机项目解决这一问题?

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