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粒子物理学


欧洲核子中心遇强手




ILC的撞击隧道预想图 ()

ILC的撞击隧道预想图

继日内瓦欧洲核子中心(Cern)的强子对撞机(LHC)之后,国际直线对撞机(ILC)再次成为世人焦点。这并不意味着Cern就结束了它的使命。因为全球命题-物质之谜,依然没有解开。

经过来自上百所大学、实验室的上千名科学家、工程师10年的努力,建造新的国际直线对撞机(ILC)的计划终于落实到书面上。6月中旬,国际未来加速器委员会(ICFA)公布了该计划。东京、日内瓦和芝加哥,在这三个粒子物理学的科研重地,科学家们通过视频会议进行了庆祝。

直线对撞机由两台大型超导直线加速器组成,是超高能量的正负电子对撞机。对撞发生在检测器中,检测器被安装在31公里长的机器中。满负荷撞击时可达每秒7000次,产生200亿粒子,聚集于比头发丝还细的空间中。因此对撞的密度很大。

樱花蛋糕、樱花石和暗物质

这类电子正子的碰撞以前在欧洲核子中心的大型电子正子对撞机(LEP)中也发生过,这是大型强子对撞机(LHC)的前身,到2000年已停止使用。LEP的碰撞能量被限定在209GeV(吉电子伏特),未来国际直线对撞机(ILC)的能量,将有可能达到1000吉电子伏特。

直线对撞机的优势不仅在于能量大,还在于电子-正子加速器的对撞结果清晰。现在的LHC质子生成的微粒含多种其他细微物质,而电子-正子只生成基本粒子。

这里借用一下日本物理学家所描绘的最形象的例子:强子对撞机是在加速切割樱桃蛋糕,面团、糖、水果不停地进行碰撞。偶尔幸运的话,可能会有2枚樱桃核碰撞到一起。而直接对撞机则不同,它只让樱桃核进行对撞。

那么科学家希望从“樱桃核”里发现些什么呢?并不是著名的希格斯粒子,因为它已经被强子对撞机发现了,在126吉电子伏的时候。新的大型加速器将会生成著名的粒子,并令研究它们之间的相互作用成为可能。

不仅如此,“直线对撞机”还可以追踪希格斯粒子如何演变为暗物质,法国物理学家François Le Diberder解释说,他来自巴黎第七大学,也是ILC欧洲委员会委员之一。“电子和正子发生碰撞,引起粒子的衰变,并同时产生Z和希格斯粒子。人们测量这个过程中能量和质量的变化,便可以从数据中推断出人们所看不到的。在126吉电子伏特的时候,已经证实希格斯粒子衰变为不可见粒子,”Le Diberder说。

这可以用来解答物理学及宇宙论中最大的谜团。“普通物质”,也就是可见物质,只占宇宙的4%,而其余的22%为暗物质,74%为暗能量。至于什么是暗物质,我们已有足够理由猜测,它是由粒子构成的。

而至于暗能量,按照这位法国物理学家的话来说,则是“彻头彻尾的奥秘”。暗能量不适用于粒子物理学中的任何理论。Le Diberder表示,解开这个谜团并不是ILC的任务,除非“有惊喜发生”。

物理学家François Le Diberder

直接对撞机的动人之处在于,它可能在希格斯粒子的衰变之际发现暗物质。

日本的支持

“我们绝不会在这里再建一个新的加速器,”Cern的总指挥Rolf-Dieter Heuer说:“一个大型强子对撞机,就够我们忙的了。可以在有效期限内建起国际直线对撞机的唯一候选国家,就是日本。”日本政府表态说,可以提供除研究之外的大笔资金,Heuer介绍到,这可能是80亿瑞郎,并非小数目。

目前计划将加速隧道安置在自东京向北500公里处的北山(Kitakami)山里。不过德国、俄罗斯和美国也在争取。最终决定,将于2015年作出。至于其组织架构是否以欧洲核子中心为基础,还是将新的巨型加速器设为分支,目前还无定论。“不过可以确定的是:这将是一个国际化,甚至是全球性的组织,”Rolf-Dieter Heuer说。

为什么是直线而不是环线?

在强子对撞机(LHC)中,粒子是在环线中运行的,而在直线对撞机中,是在直线隧道里运行。直线的优势在哪里?粒子在直线隧道中加速,是一种自然状态,在曲线中则会损失能量生成光。加速越快,光能越强,最高时可达日照强度的10000倍。

发射出的光属于同步辐射,其质量与粒子成反比,而能量是其4次方。

换句话说,粒子越重,在环形加速器中,通过同步辐射所损耗的能量越小。而对质子来说,在环状隧道中的同步辐射会减少许多能量损耗。

而对电子来说,在直线加速器中运行,效果更好。

Cern还是Cern

国际直线对撞机(ILC)将于2025-2030年做好准备。届时强子对撞机(LHC)将进入周期末端。但ILC并不是LHC的直接替代品,而是一种补充。

“就像在天体物理学中:我们观察天空,用望远镜,通过可见光、红外、紫外和射电望远镜。我们需要所有这些设备,为了对宇宙形成一个全面的认识。对我们来说,采用不同的加速器,检验类似的问题,只是选用不同的角度,”Heuer进一步解释道。

当国际上的目光都聚焦于日本的国际直线对撞机,那么欧洲的核子中心还会做些什么呢?“对日内瓦的科学家和工程师来说,改变不会很大,”总指挥说:“我们从这里也可以参与ILC的实验项目、分析数据,为继任者工作”。

事实上,粒子物理学家现在已经开始研究,ILC启动后应该得到什么样的数据。这不仅取决于科技发展的程度,还取决于未来15年,欧洲核子中心强子对撞机所出具的科技成果。

为了更多地探索物质之谜,在国际直线对撞机之后,科学界可能还需要一个更加强大的加速器。无论是让电子正子产生对撞,还是质子与质子,抑或其他粒子,欧洲核子中心已经有了一项计划,至少是针对首次运行。至于其他计划,中心也乐于尝试。


(译自德文:宋婷), 瑞士资讯swissinfo.ch



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