互动科普

 物理学家计划建造更强大的加速器，以深入研究希格斯玻色子及其相互作用。

撰文 马修·查默斯（Matthew Chalmers） 翻译 庞玮

2012年7月5日，世界各地的粒子物理学家一觉醒来，欣喜、激动的感觉仍挥之不去，伴随这种感觉的还有对未来的深深疑问——这些感觉是前一天庆祝活动的延续。7月4日，位于日内瓦郊外的欧洲核子研究中心宣布，大型强子对撞机（LHC）最新发现的一种粒子与搜寻已久的希格斯玻色子（Higgs boson）非常类似。而疑问则系着粒子物理的整个未来。这种新粒子的确是40多年来粒子物理标准模型预言的希格斯玻色子，还是更为复杂和有趣的未知之物，指向一个更深层、完整的新理论？

物理学家期望LHC能在未来几年提供上述问题的答案。但另一方面，他们内心已经有了研发下一代加速器的念头，期待LHC的继任者可以像“希格斯粒子工厂”一样，用远超当前的精度进一步完善物理理论。

 “我们知道一定有超越标准模型的物理现象存在，”美国加州理工学院物理学家巴里·巴里什（Barry Barish）说。在他和其他物理学家看来，这是板上钉钉的事情，因为存在许多难以纳入现有模型的现象，比如看不见但可能占宇宙四分之一重量的“暗物质”，中微子能从一种状态“振荡”至另一种状态，等等。巴里什领导的一个全球合作项目正在设计一种新型加速器——国际直线对撞机（International Linear Collider ，ILC）。在巴里什看来，虽然我们不知道粒子物理学将走向何方，“也应该做到万事俱备，只待东风”。

9月10日至12日，欧洲粒子物理政策研讨会在波兰克拉科夫举行，ILC及其竞争者提交各自的造价、工期和性能，以决定欧洲未来5年粒子物理研究计划的优先等级。美国计划2013年6月在科罗拉多州的斯诺马斯也召开类似会议。

不过，理想丰满，现实骨感。曾任欧洲核子研究中心主任、现任英国牛津大学能量研究中心主任的克里斯托弗·卢埃林－史密斯 （Christopher Llewellyn-Smith）称，在眼下经济不景气的大环境中，任何新加速器想要获得经费支持，都“难于上青天”。“这取决于除了希格斯粒子之外，LHC还能发现什么新粒子，以及新项目能否得到公众的一致支持和项目花费的大小”，他解释说，“即便建造理由与当年建造LHC时一样充分，预算也不超过全球高能物理持续投入的经费规模，建造一台新的加速器仍然困难重重。”

LHC的继承者

在克拉科夫研讨会上，一个关键议题是LHC各项目组对新粒子性质的研究还能走多远。当然，十年之内，LHC的物理学家还不用担心这个问题，他们还将持续获得新数据，并得到大规模的设备升级。

而且他们已经有了一个好消息：发现类希格斯粒子的质量。粒子物理学家习惯用能量单位来衡量质量，它的质量大约是1.25千亿电子伏特（125 GeV），接近物理学家给出的质量范围下限。因此科学家得出两个重要结论：一是只要一台规模适中的新加速器，就能大量产生这种粒子，二是低质量赋予这种粒子丰富的衰变模式，使物理学家能更方便地研究它与其他标准模型粒子的相互作用。

当前的首要任务之一，就是验证标准模型对希格斯粒子与其他费米子相互作用的预言，后者包括电子、介子和夸克这些具有半整数内禀角动量或“自旋”的粒子。希格斯粒子与每个费米子相互作用的概率都正比于该费米子的质量，因为按照标准模型，正是希格斯粒子赋予了其他粒子质量。

另一个亟待验证的问题是，这种新粒子的内禀自旋是否如标准模型预测的那样是0。LHC的物理学家已经断言该粒子是玻色子，即它的自旋量子单位只能取0、1、2这样的整数，他们已排除了自旋为1的可能性，因为观测中发现该粒子衰变成数对光子，而光子是自旋为1的玻色子。阿尔伯特·德勒克（Albert de Roeck）是欧洲核子研究中心的一位物理学家，担任LHC紧凑型µ介子螺旋探测器（Compact Muon Solenoid detector）项目组的科学协调员。他说，物理学家目前掌握的理论还没有复杂到能对付自旋大于2的玻色子，因此他们目前的任务是，弄清这种新粒子究竟是自旋为2的玻色子，还是如理论预言的那样是自旋为0的“标量”（scalar）玻色子。

欧洲核子研究中心的总干事罗尔夫·霍伊尔（Rolf Heuer）认为，LHC能解决新粒子的自旋问题，至于LHC在检测新粒子与其他粒子的耦合（coupling，也就是相互作用）上能发挥多大作用就不明朗了，尤其是涉及“自相互作用”（self-interaction，希格斯粒子通过自相互作用赋予自己质量）时。目前，LHC的物理学家能给出的结论是，在30%～40%测量不确定度范围内，新玻色子与其他粒子的相互作用符合标准模型的预测。按照德勒克的说法，LHC在今年年底之前可将上述不确定度降低到20%，估计在未来10～15年内能进一步降到10%以内。

这正是很多物理学家期盼新一代加速器出现的原因。想对标准模型进行真正严格的检验，研究人员需要将希格斯粒子与其他粒子的相互作用测量精度控制在1%以内，如果理论分析在未来几年取得进展，精度也许要进一步达到0.1%，只有达到这种水平，才能揭示出测量与理论间的微小偏差，进一步完善理论。

对LHC而言，这种级别的测量是难以企及的。LHC就像一把大铁锤，让包含数千亿个质子的粒子束对撞，碰撞能量高达每粒子束7 T（trillion，1012）电子伏特，这样的碰撞对发现新的重粒子颇为有效，但在精确测量方面就显得不足了，因为质子由夸克和胶子组成，碰撞中大量夸克和胶子就像一片混沌的海洋，把结果变成一团乱麻。

有鉴于此，目前提出的下一代加速器原型都采用了轻子对撞机（lepton collider，参见后页图文框“希格斯粒子之后”） 形式。轻子是一些小质量粒子的总称，其中包括电子、介子和中微子，它们不参与夸克－胶子强相互作用，因而避开了上述问题。轻子都是基本粒子，只参与强度较弱的电磁和弱相互作用，这使得轻子对撞机更像一把手术刀而不是大铁锤，我们可以将它们的碰撞能量调节到接近某个特定粒子，这样碰撞喷射出来的粒子流相比强子对撞更为简洁单一，也更易于分析。

µ介子还是电子

一些物理学家提出了一个相对廉价的选择，将新加速器的管道放置在LHC已有隧道中，然后用这些管道对撞电子和反电子（antimatter electrons，更规范的称呼是正电子，positron）。该提议被称为LEP3，以此来纪念大型电子－正电子对撞机（Large Electron–Positron collider，LEP），LHC于2000年在地下隧道中开始建造，而这些隧道此前的所有者正是LEP。从去年开始，随着有关新粒子的证据不断累积，LEP3方案旋即被提出，它能产生单束能量120GeV的希格斯玻色子，对撞的总能量为240GeV，仅比其前辈LEP的能量上限209GeV稍高一点。通过技术优化，LEP3还能将碰撞率（collision rate）或者说“亮度”（luminosity）提高到LEP的500倍左右。

在LHC隧道中建造LEP3能让现有LHC的某些粒子探测器得到再利用，同时还可以借助欧洲核子研究中心现有的基础设施来供能、维护以及处理数据。这能使LEP3的预算降到10亿～20亿美元之间，大大低于LHC 60亿美元的造价。LEP3的倡导者、瑞士日内瓦大学的阿兰· 布隆德尔（Alain Blondel）说“孰优孰劣很清楚”，他甚至提出不用拆掉LHC，直接在隧道中建设轻子对撞机，因为现有隧道原本就是为两种对撞机同时工作而设计的。

尽管作为高产的“希格斯粒子工厂”LEP3有优势，但它无法研究任何比希格斯粒子重的东西。如果如物理学家期望的那样，LHC发现了超对称（supersymmetry）假设中预言的重粒子，甚至发现了额外的维度，那LEP3的能量上限就会成为问题。要研究更重的粒子，就要逐步提高LEP3的能量，这最终会走进死胡同，因为同步加速器辐射（synchrotron radiation，以弯曲轨迹运动的带电粒子发射的光子流）会抵消增加的能量。对LHC中的质子来说，就没有多大影响，因为质子质量差不多是电子的2 000倍，随着粒子质量增加，同步加速器辐射损失的能量会急剧减少。但LEP3就面临非常严重的同步加速器辐射损失。唯一的解决办法就是增大轨道的半径，建造新的隧道。有些物理学家建议，在日内瓦湖底挖一条周长80千米的隧道，安装一台环形电子－正电子加速器，但霍伊尔认为这个想法不太现实。

世界各地的物理学家也在提出新的想法，看能否制造出比LEP3小，直径大约1.5千米的“希格斯粒子工厂”。如果用µ介子代替电子进行对撞，前者比后者重207倍的质量优势可将同步加速器辐射的损失降到可忽略的程度，只需125GeV的能量就能产生上万个希格斯粒子，比LEP3的240GeV低很多。同时µ介子对撞的能量大大提高，可以用来研究更重的粒子。

但是µ介子对撞机也有自己的麻烦，首要问题是µ介子在2.2毫秒后就会衰变成电子和中微子。虽然2.2微秒在亚原子世界里已算长寿，大多数其他粒子的寿命都只有万亿分之一纳秒（10-9秒的1/1012），但从工程的角度看，2.2微秒转瞬即逝。在新加速器中，先要通过在金属靶上粉碎质子来产生µ介子，然后将其“冷却”，也就是排列成一个有序的粒子束，最后再加速到所需能量，而整个过程要在2.2毫秒内电光石火般完成。这个极具挑战性的任务交给了英国卢瑟福·阿普尔顿实验室（Rutherford Appleton Laboratory）下辖的µ介子离子冷却实验（muon ionization cooling experiment，简称MICE），预计2016年可得出最终结果，届时冷却技术的发展也许能让欧洲核子研究中心建造“中微子工厂”（即发射大量µ介子中微子的加速器，它是迈向µ介子对撞机的基础），这些中微子将穿透地球，直奔数千千米之外的探测器——芬兰已经打算建一个。

虽然如此，仍有很多物理学家持有疑虑，比如英国牛津大学物理学家布赖恩·福斯特（Brian Foster）就说，“在我有生之年可能见不到µ介子对撞机了，因为我们已经尝试冷却µ介子十多年，却没有一点进展”。

福斯特是电子－正电子直线对撞机项目欧洲地区负责人，这种加速器是µ介子对撞机的竞争对手，它由一条长直电子直线加速器，以及一条与之相对的等长正电子直线加速器组成，两束粒子在中间对撞。这种加速器的轨道为直线，没有同步加速器辐射损失，而且只要不断延长轨道就能持续提高碰撞能量。

高能线性对撞机的设想始于20世纪80年代，最终形成了两套方案：一是前面提到的国际直线加速器ILC，它由众多实验室和大学组成的全球合作组织负责研发，轨道最终长约30千米，用业已成熟的超导加速器技术实现0.5TeV（TeV，万亿电子伏特）碰撞能量，通过升级该能量还有可能达到1TeV。ILC小组即将公开发表设计报告，项目预算目前估计为67亿美元。二是欧洲核子研究中心牵头开展的紧凑型线性加速器项目（The Compact Linear Collider，CLIC），轨道长度将近50千米，准备使用新加速器技术，达到3TeV的碰撞能量。CLIC的预算不如ILC明朗，因为它暂时仅有一份概念性的设计报告，不过其超高的碰撞能量将有可能在实现高精度测量的同时，为我们打开通向全新发现的大门。

ILC和CLIC的性能都经过了详细的理论论证，但实际表现会如何，按照现任MICE发言人布隆德尔的话来说还“众说纷纭”。他以斯坦福线性加速器（Stanford Linear Collider，SLC）为例，这台位于加利福尼亚州门洛帕克的加速器碰撞能量最终接近100GeV，“它运行得不赖，但几乎从未达到设计者预计的亮度，这家伙已经很难搞定，而ILC或者CLIC，可以说是难上加难”。

尽管不是人人满意，但对很多粒子物理学家而言，线性加速器也许是最好的选择。今年6月，总部位于美国费米实验室的国际未来加速器委员会（International Committee for Future Accelerators）将ILC和CLIC合并成一个线性加速器项目，交由LHC前任主任林恩·埃文斯（Lyn Evans）负责。他计划在2015年底之前提交一份单台线性加速器的规划。

埃文斯认为，可以先建造一台能量为250GeV的线性加速器来探测希格斯粒子，再逐步提高能量至500GeV。后一能量可产生希格斯玻色子对，研究人员可以借此探索希格斯玻色子之间的耦合，以及希格斯玻色子与最重的粒子——顶夸克之间的相互作用。这在技术上是可行的，但需要消耗一座中等发电厂的全部产能，埃文斯说，考虑实际情况，“我设想的新实验基地耗能应不超过目前欧洲核子研究中心能耗的上限，即300兆瓦”。

抛开技术不谈，还有个真金白银的问题，就是哪个国家愿意承担下一代轻子对撞机项目。福斯特说，按照惯例，对撞机所在国需要承担一半经费，回报则是长期的经济收益。但眼下的经济环境并不适合这样的投资，尤其对政治家而言，一个短期内对得票率没有影响的项目是没有多大吸引力的。

放眼全球

埃文斯估计，如果想直线对撞机计划在近几年内得到批准，那建在欧洲核子研究中心的可能性不大。尽管欧洲实验室技术力量雄厚，政策基础也十分完善，但他们已经有了LHC。按照现在的计划，到2014年每束流7TeV的设计能量才有可能提上LHC的日程，而2022年还有一次针对其亮度的升级。英国科学与技术基础设施委员会主管约翰·沃默斯利（John Womersley）掌握着英国在粒子物理方面的投入，他说，“我确信欧洲粒子物理政策研讨会最首要的任务将是继续开发并升级LHC”。

费米实验室主任，同时也是国际未来加速器委员会主席的皮耶尔·奥多内（Pier Oddone）认为，美国也不太可能收留新对撞机。“正所谓盛极必衰吧，”他说。自从费米实验室关闭了2TeV万亿电子伏特对撞机（Tevatron collider），高能前沿就从美国转移到了欧洲。因此目前美国的政策是致力于保持“密度前沿”的地位，研究罕见粒子的相互作用，如利用高密度中微子流研究中微子与其他粒子的相互作用。不仅如此，奥多内还补充道，“自今年初以来，我们的经费被砍掉了不少，现在连添台新设备（用于长基线中微子实验）都捉襟见肘，那个的造价还不到ILC的十分之一呢”。他说，现在即便想让美国参与其他国家的轻子对撞机建造都“十分困难”。

很多关注此问题的人认为，就目前来看，下一代对撞机项目最强有力的候选国是日本。埃文斯指出，别的且不说，就冲日本在上世纪90年代中期LHC项目面临经费困难时的大力援助，“欧洲也应该投桃报李了”。2011年12月，当物理学家宣布发现新玻色子初步迹象时，日本首相表示了积极支持。有迹象表明日本可能会为新加速器提供额外的经费支持，新项目将被视作一个更大经济刺激计划的一部分，帮助2011年3月遭遇大地震地区恢复经济。该计划设想，以新加速器为依托，发展一个包含其他科研实验室、工业区和教育中心的“国际化城市”。而且日本粒子物理学界今年年初更新未来5年发展路线图时，ILC继续被列为项目清单的首选。对此，日本高能加速器研究机构（KEK）总干事铃木厚人（Atsuto Suzuki）解释说，粒子物理学界的具体建议是，“如LHC已确认新粒子为希格斯粒子，日本应该担负起建造电子－正电子对撞机的前期任务”。

ILC就是万全之策了吗？“老天，千万别这么想，”福斯特说，“它只是我们在未来一段时间内最好的选择。”沃默斯利认为，开建ILC的几率最多只有50%，“我们不能理所当然地认为，只要发现了希格斯粒子，经费就会滚滚而来”，支持下一代中微子实验的理由同样很充分，结果又如何呢？奥多内估计，包括筹备时间在内，ILC从破土动工到投入运行差不多要10年，“也就是说最早也要到2025年，不等LHC展现全部实力，你会开始这么大的项目吗？说不定哪天LHC会发现比希格斯粒子更鼓舞人心的东西呢！”。

在很多粒子物理学家心目中，最梦幻的场景是：用欧洲的LHC冲击更高的能量，用美国的多项中微子实验尝试更大的密度，同时用日本的新轻子对撞机深入研究LHC未能发现的各种奇异新粒子的细节。在LHC的ATLAS探测器项目组工作的英国曼彻斯特大学物理学家特里· 怀亚特 （Terry Wyatt）说，“我很希望见到这样的前景，不同地区的国家各司其职，多头并进”。

可事与愿违，在大科学（big science）这个行当里，实现这样的梦想往往要通过场外交易。“这些事情可能要在粒子物理圈外才能得到解决，”奥多内说，“也许某位总统和某国总理的一通电话可以决定一切。”

本文作者 马修·查默斯是英国布里斯托尔的一位自由科学作家。