欧洲领跑大型粒子对撞机,我国未来发展如何?

2020-08-03来源: eefocus关键字:质子计算机  大型粒子对撞机  LHC对撞机  CEPC

当三体人得知四光年外的地球上有人类这一存在之后,又开心又害怕,开心的是人类文明远远不如三体文明,害怕的是人类文明的进化速度非常之快。如果三体人用他们当时最快的飞船赶到地球要花四百年时间,等真的赶过去可能就已经被人类的科技水平虐成渣了。

 

所以,他们先发制人地发动了智子攻击,用光速发出两个质子计算机,率先来到地球,暗戳戳搞破坏,不过两个比原子还小的微粒能做什么坏事?

 

除了刺探下地球人的公开情报之外,就是给人类的粒子物理研究捣乱,影响人类最前沿的粒子加速对撞实验,制造错误的实验结果,搞疯掉一批批人类最聪明的物理学家,最终锁死人类的基础科学的发展。如果人类无法在微观层面发现新的物理定律,也就没有更高的科技水平,也自然再也不能和三体人叫板了。

 

如此想来,是不是细思极恐了?我们不得不问一句,现在我们的物理学被三体人的智子给锁死了吗?

 

这倒没有,不过基础物理似乎正在被高额的研发费用给“锁死”,因为建造这种高能物理实验机器的代价实在是有点高昂。

 

 

今年的 6 月 19 日,欧洲核子中心(CERN)全票通过了《2020 欧洲粒子物理战略》,并计划建造一台全新的高能物理实验机器——未来环形对撞机(Future Circular Collider,FCC),用于研究希格斯玻色子(即“上帝粒子”)和高能量前沿探索。

 

不过,这台全长 100 公里的 FCC 环形对撞机的建造成本预计为 210 亿欧元。这项计划能够通过,还得归功于它的前辈—— “大型强子对撞机”(Large Hadron Collider,LHC)的成功。这一耗资 50 亿瑞士法郎,耗时 25 年,全长 27 公里的对撞机,终于在 2012 年证实了希格斯玻色子的存在,证实了一个 50 年前提出的物理学猜想。

 

正是这一次的成功实验给了 CERN 巨大的信心,使其计划建造一个横跨瑞士和法国,面积大 13 倍,周长大 3.7 倍的超大型环形对撞机,来发现更深层次的基本粒子,比如预言中的超对称粒子,从而验证那些可以解释暗物质、暗能量的超对称理论。

 

为了验证一项物理学假说,动用如此规模的资源,到底值不值?在中国同样有一场关于要不要建造“环形正负电子对撞机—大型质子对撞机(CEPC-SPPC)”的激烈争论。

 

那么,欧洲要建的这座大型对撞机,到底有何作用?既然欧洲已经领跑了,那么我国的大型粒子对撞机,还有必要再建设么?

 

为什么要建大型粒子对撞机?

粒子对撞机是现代高能物理研究中最为重要的实验设备。如果人类想要搞清楚宇宙的微观层面,也就是弄清楚组成宇宙物质的基本组成,搞清楚自然运行的基本规律,就不仅仅需要提出一系列的科学假说,还要能够证实或证伪这些假说的物理实验,那么粒子对撞机就是必不可少的验证和测量工具。

 

那么粒子对撞机是如何工作的呢?如同我们想要了解一个东西的内部构造,就会把它拆开来看看,物理学家同样面对微观粒子的时候也是采用同样的思路。只是想要拆开比原子更小的基本粒子的难度会非常大,科学家们为此想到了要将基本粒子不断加速,然后让它们迎面相撞。以接近光速的速度相撞,释放最大的能量才有可能把这些粒子拆开,然后人类才有可能观察到粒子的更基本组成和各种物理性质。

 

(LHC 铅离子对撞实验,产生了大量新的物质)

 

如何让两个如此微小的粒子相撞,其过程非常复杂,目前想到的唯一办法就是同时加速上亿个粒子,最后在一场粒子的暴风骤雨中,只有几对幸运的粒子可以迎面撞上。而人类要做的就是在电光火石之间,测量出粒子相撞留下的痕迹(直接观测粒子对撞是不可能的),这也对粒子对撞机的工程要求极为严苛。

 

那么,2012 年人们在当时的 LHC 对撞机中找到的希格斯玻色子,到底是怎么发现的呢?因为这一上帝粒子的衰变期只有短暂的 10 的负 22 次方秒,探测器根本不可能直接捕捉到上帝粒子。所以,粒子探测器记录的信号,来自上帝粒子衰变后的产物,也就是产生一对稳定的正负电子和寿命较长的正负μ子。正是通过测量这些衰变后的粒子间的关联,人们才间接地推出上帝粒子的存在。

 

(希格斯玻色子 Higgs boson)

 

发现“希格斯玻色子”有什么重要价值呢?上个世纪 60 年代,科学家提出了粒子物理学的“标准模型”,这是一套描述了强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。在这一理论中,希格斯玻色子被认为是“质量之源”。其他粒子通过和希格斯玻色子相互作用才能产生质量。

 

因此,“希格斯玻色子” 的发现,成为补上“标准模型”中最后一块 “拼图”。既然“标准模型”的拼图已经完整,为什么人类还需要更大规模的粒子对撞机呢?

 

一个是,科学家们希望对希格斯玻色子进行更深入的研究,而即使是对 LHC 不断升级也就是加大对撞能量的能级,也无法得到足够的希格斯玻色子,因此还需要建造规模更大的对撞机装置。

 

再一个是,“标准模型”并不能完全解释全部的物理学规律,比如它无法解释中微子质量、暗物质、暗能量的来源以及物质和反物质不平衡的问题,还有融合四种力的大统一理论。粒子物理学的盛宴才刚刚开启,需要更大的粒子对撞实验来加以验证。

 

(2020 欧洲粒子物理战略)

 

因此,CERN 下定决心要把研究希格斯玻色子和建造更高能粒子对撞机当做“未来最高优先级别的事情”。那么,中国在这一巨大科学工程上面,还存在哪些利弊之争呢?

 

高能物理的顶级交锋:到底该不该建 CEPC?

目前,全球有三座正在规划的“希格斯工厂”项目,也就是能够产生更多的希格斯玻色子,并能够对希格斯玻色子进行极高精度下测量。三个项目分别为由中国物理学家在 2012 年 9 月提出的环形正负电子对撞机—大型质子对撞机(CEPC-SPPC)、日本正积极争取的国际直线对撞机(ILC),以及 CERN 规划的未来环形对撞机(FCC)。

 

2012 年 9 月我国提出的 CEPC-SPPC 项目分两步,一期工程为 CEPC,可作为希格斯工厂;二期工程为 SPPC,建造一台高能质子对撞机。CERN 提出的欧洲粒子物理战略确定的 FCC 路线图与我们的 CEPC-SPPC 设想其实是高度一致的。FCC 的总投资是 210 亿欧元,而我们的投资规模预计是第一阶段工程造价大约 400 亿人民币,建设时间计划在 2022-2030 年间;第二阶段的工程造价是 1000 亿人民币,其投资规模远远小于 CERN 的投资计划的,建设时间是在 2040-2050 年期间。

 

(贵州平塘 500 米口径球面射电望远镜)

 

但不管怎样,CEPC-SPPC 大型对撞机项目的花销也比现有的大科学工程高出两个数量级。比如,位于贵州平塘的 500 米口径球面射电望远镜(FAST),耗资仅仅 6.67 亿元。江门中微子实验正在建设,预计投资 20 亿元。

 

尽管这笔研发费用是按照数十年时间分批支出的,但是对于我国当前的科研经费来说仍然是一笔“巨款”。在是否支持建造 CEPC-SPPC 大型对撞机项目上面,我国的科学界也分成了旗帜鲜明的两方。

 

2016 年,在回应著名数学家丘成桐提议的“关于中国建设高能对撞机“的观点,知名华裔物理学家杨振宁先生专门发表文章,表示“中国今天不宜建造超大对撞机”,成为公开反对建造大型对撞机的权威代表。杨先生给出的理由主要如下:

 

一来,大型对撞机的建造和后期的探测项目耗资巨大,且可能是一个“无底洞”,美国超导大型对撞机(SSC)半途中断,浪费了 30 亿美元,可谓是前车之鉴;二则,中国仍然是一个发展中国家,更多的财政经费应该投入到民生当中;第三,势必会挤压其他基础科研经费,第四,就是高能物理的结果短期内对于人类生活没有什么实际的好处。

 

另外还有就是从学术本身来提出的反对意见。杨振宁先生认为,物理学家希望通过大型对撞机发现“超对称粒子”,是一件不可能的事情。另外,由于我国在高能物理学中的贡献率不高,成就不大,建造大型对撞机之后的运转和分析将有 90%由外国专家来主导。最后,他还提出了一种新的高能物理研究途径,比如研究新的加速器原理,从几何理论上探索基本原理。

 

当然,杨振宁先生的考虑自有其判断的依据和道理。但同样支持大型对撞机建设的一方,来自中国科学院高能物理研究所所长王贻芳教授也有充足的理由:

 

首先,建造第一期 CEPC 项目,是有大量成功经验的,预算也是可控的。美国 SSC 的中断正是让美国失去了发现希格斯粒子的机会,也失去了在高能物理学领域的国际领导地位。第二阶段的质子加速器虽然还没有成功的先例,但我们有足够的时间去开发、研究,不成熟不启动,还谈不上“无底洞”的投入。我国已经有大量大型科学工程的建造经验,都已经能够很好的控制工程造价。

 

其次,基础科学的研究与民生建设并不冲突。建造大型对

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关键字:质子计算机  大型粒子对撞机  LHC对撞机  CEPC 编辑:什么鱼 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/qrs/ic505135.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

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