独木帆 >首页 >社会 >正文

下一代对撞机开销大,日本先积极后犹豫

Nature自然科研 2018-01-14 11:21:07 阅读:

大型强子对撞机未检测到希格斯粒子之外的新粒子,导致日本重新规划直线对撞机项目。

由于经费有限,而且大型强子对撞机并没有发现新的粒子,物理学家们不得不削减打造下一个大型加速器的计划:日本投资几十亿美元的国际直线对撞机(ILC)项目。

下一代对撞机开销大,日本先积极后犹豫

大型强子对撞机(图示)使质子产生碰撞,而计划建造的直线对撞机将使电子和正电子碰撞。

Credit:CERN/SPL

11月7日,负责监督ILC建造工程的国际未来加速器委员会(ICFA)正式批准将对撞机的规划能量从原来的500 GeV降低到250 GeV,并且将隧道长度从原本提议的33.5千米缩短至13千米。降级后的对撞机将不得不放弃部分原先计划开展的研究项目,比如对顶夸克的研究,因为它只能在更高能量下产生。

于是,它将重点研究希格斯玻色子(CERN的大型强子对撞机在2012年检测到这些粒子)。

尽管如此,前沿粒子物理学家仍旧保持乐观。美国托马斯·杰斐逊国家加速器实验室的Hugh Montgomery表示,一台250 GeV的对撞机仍旧能提供“令人信服的物理学实例”。他说它能够在未来升级至更高的能量。

高能物理学家计划打造一台直线对撞机已有25年了,但是至少到2030年之前,ILC都不太可能问世。他们将直线对撞机看作对LHC的补充,让物理学家能够钻研CERN发现的粒子的细节。

直线设计

环形的LHC让质子进行碰撞,能够达到极高的能量(13 TeV)。但是作为复合粒子(由夸克组成),质子撞击后会与碎片团相互碰撞。

相比之下,ILC首先将在上千个首尾相连的超导腔中加速电子和正电子,然后再使它们迎面对撞。虽然产生的能量较低,但是基本粒子之间的碰撞比在质子-质子对撞机中的更干净、更精准。

在发现希格斯粒子之后不久,2012年10月,日本的研究人员提出主持打造直线对撞机的建议。此后,国际物理学共同体一直希望日本贡献预估的100亿美元中的大部分来实现原计划。但是日本政府尚未提供任何经费。根据瑞士联邦理工学院(EPFL)物理学家Tatsuya Nakada的说法,是项目巨大的成本让政府望而却步。

除此之外,LHC未发现除希格斯粒子之外的其他新粒子,导致日本高能物理学家协会在7月提出将ILC的能量限制在250 GeV。

协会解释,追求高能量并不理智,因为LHC在2015和2016年收集的数据表明,任何在标准模型之外的粒子都不太可能轻于1,000 GeV,因此即使是一台全规模的ILC也无济于事。然而,250 GeV足以产生大量希格斯玻色子,通过测量它们与其他已知粒子的互作,有可能获得新物理学的间接标志。

能量之辩

在10月发表在预印本服务器arXiv上的一篇文章中,一个负责规划ILC的科学实验的国际工作组同样对这个拟建的“希格斯粒子工厂”表示支持。接着在11月于渥太华举行的一场会议上,ICFA对“瘦身”后的对撞机表示认可。

然而,并非所有物理学家都乐于见到这一情况。伦敦国王学院和CERN的理论学家John Ellis坚持认为只有在1,000 GeV左右的能量下运行,直线对撞机才能提供“一幅更完整的希格斯粒子图像。”他承认应该控制成本,但是也说将ILC限制到250GeV,“实际上是重大的妥协”。

最近发表在arXiv上的一篇报告描述了250 GeV模型的三种可能设计(2013年,科学家发表了针对原本能量更高的ILC所设计的一种技术方案)。每一种设计都要求将电子-正电子超导加速器的长度缩短一半,但是其中两种方案保留额外的隧道空间,为未来的升级做准备。

若计入从目前正在进行的加速器研究中预计节省的经费,报告估算对撞机核心构造的造价可节省达40%——在2012年预算成本的基础上降至大概50亿美元。正在领导ILC研究的CERN加速器物理学家Lyn Evans表示,算上人力和探测器的成本,总价大约是70亿美元。

美国SLAC国家加速器实验室理论粒子物理学家、ILC工作组成员Michael Peskin十分肯定希格斯粒子工厂的价值。他说过去一年里对希格斯玻色子和弱核力(四种已知基本力之一)的理论研究更加说明有必要对希格斯粒子互作强度开展实验探索。他说:“250 GeV阶段其实比我们想象的要有趣得多。”

ILC的决定如今取决于日本。Evans说日本政府正在对直线对撞机项目进行的评估“耗时长,让人心焦”。他表示在主办国公布计划之前,其他国家无法确认资金投入。“其他国家正在等待日本政府的决定。”他说。

独木帆(www.xieshudeng.com)版权所有 桂ICP备17010736号 关于我们 | 广告服务 | 诚聘英才 | 联系我们 | 免责申明 | 举报投诉须知