中日歐直接競爭！第三座“希格斯工廠”要來了，誰將率先揭開「上帝粒子」奧秘？

本文作者：付靜

2020-06-30 18:45

導(dǎo)語：最終誰能勝出，要看誰能在時間上走在前面。

“希格斯工廠”已成為國際高能物理領(lǐng)域的共同目標，是國際科學(xué)領(lǐng)域所要攀峰的珠穆朗瑪峰。

近日，中科院高能物理所研究員、環(huán)形正負電子對撞機（CEPC）加速器負責(zé)人高杰在接受《中國科學(xué)報》采訪時這樣回答。

當(dāng)?shù)貢r間 2020 年 6 月 19 日，歐洲核子研究組織（CERN）理事會公布「2020 歐洲粒子物理戰(zhàn)略」，確定了首先建設(shè)一臺正負電子希格斯（Higgs）工廠、再建一臺高能質(zhì)子對撞機的路線圖。

這一戰(zhàn)略意義深遠，不僅將為歐洲粒子物理的發(fā)展起到指導(dǎo)作用，在全球粒子物理學(xué)領(lǐng)域也將對中國、日本和歐洲“希格斯工廠”建設(shè)的競爭局面產(chǎn)生影響。

神秘的上帝粒子

什么是對撞機？什么是“希格斯工廠”？一切都要從希格斯玻色子說起。

物理上習(xí)慣將一種遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計、自旋量子數(shù)為整數(shù)的粒子稱為玻色子。

1964 年，有三組研究人員幾乎同時地獨立研究出一種“希格斯機制”并發(fā)表論文，英國物理學(xué)家、希格斯玻色子提出者彼得·希格斯（Peter Higgs）就在其中一組。

1964 年的這三篇論文，在世界物理學(xué)頂級學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》50 周年慶祝文獻里被公認為里程碑論文。

在當(dāng)時的論文中，基于希格斯機制，Peter Higgs 預(yù)言了希格斯玻色子的存在。

雖然學(xué)界傾向于認為其預(yù)測結(jié)果準確無誤，但預(yù)測只是預(yù)測，最終還是要經(jīng)過論證。直至 1980 年代，希格斯玻色子存在與否，已成為粒子物理學(xué)最重要的未解難題之一。

希格斯玻色子的神秘性，從它的別稱「上帝粒子」中便可略知一二（據(jù)說希格斯玻色子在大爆炸之后的宇宙形成過程中扮演了重要角色）。

正所謂，工欲善其事，必先利其器。

1994 年，為確認或排除希格斯玻色子的存在，歐洲核子研究組織（CERN）立項了大型強子對撞機（LHC）。

雷鋒網(wǎng)了解到，對撞機是在高能同步加速器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種裝置，其原理是通過前級加速器注入的兩束粒子流進行對撞，從而產(chǎn)生足夠高的相互作用反應(yīng)率，以測量高能粒子。

14 年后，這一全球 80 多個國家近萬名科學(xué)家的心血結(jié)晶正式建成。

終于，持續(xù)了近半個世紀的難題有眉目了。

2012 年 7 月 4 日，歐洲核子研究組織（CERN）舉行專題討論會與新聞發(fā)布會宣布，LHC 緊湊 μ 子線圈發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量為 125.3±0.6GeV 的新玻色子，標準差為 4.9；超環(huán)面儀器發(fā)現(xiàn)質(zhì)量為 126.5GeV 的新玻色子，標準差為 4.6。

不少學(xué)者認為這兩個粒子可能就是希格斯玻色子。

2013 年 3 月 14 日，歐洲核子研究組織（CERN）發(fā)布新聞稿表示，先前探測到的新粒子正是希格斯玻色子，消息一出，世界震驚。

希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)取得了重大進展，不過科學(xué)家們對微觀世界的探索依舊在繼續(xù)。

近幾年，LHC 也經(jīng)歷了幾次停機維護和重啟。

因此，歐洲核子研究組織（CERN）開始考慮升級 LHC 了——2019 年 8 月 1 日，歐洲核子研究組織（CERN）透露，LHC 的“繼任者”高光度 LHC（HL-LHC）已開始建造。據(jù)了解，其亮度將比 LHC 高 5-10 倍，從而大大提升了性能。

實際上，這也是歐洲核子研究組織（CERN）「2020 歐洲粒子物理戰(zhàn)略」的其中一項內(nèi)容。

2020 歐洲粒子物理戰(zhàn)略

在了解「2020 歐洲粒子物理戰(zhàn)略」涉及到哪些內(nèi)容之前，還是先來簡單了解一下歐洲核子研究組織（CERN）。

在粒子物理學(xué)界，歐洲核子研究組織（CERN）的地位可以說是舉足輕重。

CERN 成立于 1954 年，位于瑞士日內(nèi)瓦近郊地區(qū)，是世界上最大型的粒子物理學(xué)實驗室。CERN 通過提供粒子加速器等基礎(chǔ)設(shè)施，支持國際間的合作實驗，旨在滿足高能物理學(xué)的研究需要。據(jù)百度百科介紹，CERN 聘用的員工大約占了世界粒子物理學(xué)圈子的一半。

與此同時，CERN 也是萬維網(wǎng)（www）的發(fā)源地，設(shè)有資料處理能力很強的大型電腦中心協(xié)助實驗數(shù)據(jù)的分析，可供各地研究員使用。

雷鋒網(wǎng)從歐洲核子研究組織（CERN）官網(wǎng)了解到，「2020 歐洲粒子物理戰(zhàn)略」的更新計劃于 2018 年 9 月啟動，當(dāng)時 CERN 理事會成立了歐洲戰(zhàn)略小組（ESG）以協(xié)調(diào)戰(zhàn)略制定過程。2019 年 5 月，歐洲戰(zhàn)略小組在西班牙格拉納達舉行的公開研討會上共得到了近 200 份意見書。2020 年 1 月，在德國為期一周的起草會議上，最終達成了一致意見。

受疫情影響，原定于 5 月 25 日在布達佩斯宣布的「2020 歐洲粒子物理戰(zhàn)略」推遲至 6 月 19 日宣布。

中日歐直接競爭！第三座“希格斯工廠”要來了，誰將率先揭開「上帝粒子」奧秘？

具體來講，「2020 歐洲粒子物理戰(zhàn)略」的最優(yōu)先事項是對「希格斯玻色子」的研究和對高能前沿的探索，這也是解決粒子物理學(xué)中懸而未決的問題的兩種關(guān)鍵而又互補的方法。

為此，成功完成高光度 LHC 仍是未來十年內(nèi)歐洲粒子物理學(xué)的重點。

在高光度 LHC 之后，CERN 認為有必要優(yōu)先開發(fā)一種作為“希格斯工廠”的電子-正電子對撞機，即未來環(huán)形對撞機（Future Circular Collider）。該對撞機的建造工作將在高光度 LHC 完全開發(fā)后的 10 年內(nèi)開始，預(yù)計將于 2038 年完成運行。

此外，歐洲方面也計劃就下一代強子對撞機，開展國際合作，進行技術(shù)和財務(wù)可行性研究，這將是一項更為長遠的目標。

同時，這一戰(zhàn)略也建議歐洲繼續(xù)支持日本和美國的中微子項目。另外也將關(guān)注天體粒子和核物理等相關(guān)領(lǐng)域的合作項目。

CERN 總干事 Fabiola Gianotti 表示：

這項戰(zhàn)略雄心勃勃，它以審慎、漸進的方式勾勒出歐洲和 CERN 光明的未來。我們將繼續(xù)投資 CERN 及其成員國與其他研究機構(gòu)之間的合作項目。這些合作是科技持續(xù)進步的關(guān)鍵，能帶來很多社會效益。

值得一提的是，上述項目除了能促進粒子物理領(lǐng)域的研究，也有很廣泛的社會影響。

其一，加速器、探測器和計算的進步將對生物醫(yī)學(xué)技術(shù)、航空航天應(yīng)用、文化遺產(chǎn)、人工智能、能源、大數(shù)據(jù)和機器人等領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

其二，與大型研究基礎(chǔ)設(shè)施的合作有助于推動工業(yè)創(chuàng)新。

其三，從人力資本角度來看，上述項目培養(yǎng)的科學(xué)家、工程師、技術(shù)人員和專業(yè)人員也為工業(yè)和社會其他領(lǐng)域提供了人才。

中日歐三方競爭

上述戰(zhàn)略中，CERN 提到了“希格斯工廠”。

2017 年，基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎得主、中國高能物理研究所所長王貽芳院士曾表示：

希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，使我們看到了一種可能，那就是建設(shè)周長 100 公里的環(huán)形正負電子對撞機，也就是“希格斯工廠”。

目前，國際上有三個“希格斯工廠”項目——我國的超級質(zhì)子對撞機（CEPC-SPPC）、日本的國際直線對撞機（ILC）、歐洲的未來環(huán)形對撞機（FCC）。

2012 年 9 月我國提出的 CEPC-SPPC 項目分兩步，一期工程為 CEPC，能量達 120GeV，可作為希格斯工廠；二期工程為 SPPC，能量將達到 25~45TeV。

雷鋒網(wǎng)注意到，就歐洲提出的戰(zhàn)略，中科院高能物理所近日也在官網(wǎng)發(fā)布新聞稱：

這份歐洲粒子物理戰(zhàn)略確定了先建設(shè)一臺正負電子希格斯（Higgs）工廠，再建設(shè)一臺高能質(zhì)子對撞機的路線圖。這和我國高能物理學(xué)界倡議的環(huán)形正負電子對撞機-超級質(zhì)子對撞機（CEPC-SPPC）設(shè)想是高度一致的。

就歐洲最近公布的戰(zhàn)略，王貽芳院士在接受《中國科學(xué)報》采訪時也表示：

歐洲是目前國際粒子物理最重要的一支力量，CERN 確定的研究方向、目標和路線圖，對整個國際粒子物理發(fā)展會有巨大影響。不過，歐洲粒子物理戰(zhàn)略中的決定并不讓人吃驚。過去幾年里，大家已經(jīng)公認希格斯粒子的研究是未來高能物理發(fā)展的最主要目標。不令人吃驚是因為我們可能是最早講這句話的人。

中日歐直接競爭！第三座“希格斯工廠”要來了，誰將率先揭開「上帝粒子」奧秘？