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中日欧直接竞争!第三座“希格斯工厂”要来了,谁将率先揭开「上帝粒子」奥秘?

“希格斯工厂”已成为国际高能物理领域的共同目标,是国际科学领域所要攀峰的珠穆朗玛峰。

近日,中科院高能物理所研究员、环形正负电子对撞机(CEPC)加速器负责人高杰在接受《中国科学报》采访时这样回答。

当地时间 2020 年 6 月 19 日,欧洲核子研究组织(CERN)理事会公布「2020 欧洲粒子物理战略」,确定了首先建设一台正负电子希格斯(Higgs)工厂、再建一台高能质子对撞机的路线图。

这一战略意义深远,不仅将为欧洲粒子物理的发展起到指导作用,在全球粒子物理学领域也将对中国、日本和欧洲“希格斯工厂”建设的竞争局面产生影响。

神秘的上帝粒子

什么是对撞机?什么是“希格斯工厂”?一切都要从希格斯玻色子说起。

物理上习惯将一种遵循玻色-爱因斯坦统计、自旋量子数为整数的粒子称为玻色子。

1964 年,有三组研究人员几乎同时地独立研究出一种“希格斯机制”并发表论文,英国物理学家、希格斯玻色子提出者彼得·希格斯(Peter Higgs)就在其中一组。

1964 年的这三篇论文,在世界物理学顶级学术期刊《 物理评论快报 》50 周年庆祝文献里被公认为里程碑论文。

在当时的论文中, 基于希格斯机制,Peter Higgs 预言了希格斯玻色子的存在。

虽然学界倾向于认为其预测结果准确无误,但预测只是预测,最终还是要经过论证。直至 1980 年代,希格斯玻色子存在与否,已成为粒子物理学最重要的未解难题之一。

希格斯玻色子的神秘性,从它的别称「上帝粒子」中便可略知一二(据说希格斯玻色子在大爆炸之后的宇宙形成过程中扮演了重要角色)。

正所谓,工欲善其事,必先利其器。

1994 年,为确认或排除希格斯玻色子的存在,欧洲核子研究组织(CERN)立项了大型强子对撞机(LHC)。

雷锋网了解到, 对撞机是在高能同步加速器基础上发展起来的一种装置,其原理是通过前级加速器注入的两束粒子流进行对撞,从而产生足够高的相互作用反应率,以测量高能粒子。

14 年后,这一全球 80 多个国家近万名科学家的心血结晶正式建成。

终于,持续了近半个世纪的难题有眉目了。

2012 年 7 月 4 日,欧洲核子研究组织(CERN)举行专题讨论会与新闻发布会宣布,LHC 紧凑 μ 子线圈发现了质量为 125.3±0.6GeV 的新玻色子,标准差为 4.9;超环面仪器发现质量为 126.5GeV 的新玻色子,标准差为 4.6。

不少学者认为这两个粒子可能就是希格斯玻色子。

2013 年 3 月 14 日,欧洲核子研究组织(CERN)发布新闻稿表示,先前探测到的新粒子正是希格斯玻色子,消息一出,世界震惊。

希格斯玻色子的发现取得了重大进展,不过科学家们对微观世界的探索依旧在继续。

近几年,LHC 也经历了几次停机维护和重启。

因此,欧洲核子研究组织(CERN)开始考虑升级 LHC 了——2019 年 8 月 1 日,欧洲核子研究组织(CERN)透露,LHC 的“继任者”高光度 LHC(HL-LHC)已开始建造。据了解,其亮度将比 LHC 高 5-10 倍,从而大大提升了性能。

实际上,这也是欧洲核子研究组织(CERN)「2020 欧洲粒子物理战略」的其中一项内容。

2020 欧洲粒子物理战略

在了解「2020 欧洲粒子物理战略」涉及到哪些内容之前,还是先来简单了解一下欧洲核子研究组织(CERN)。

在粒子物理学界,欧洲核子研究组织(CERN)的地位可以说是举足轻重。

CERN 成立于 1954 年,位于瑞士日内瓦近郊地区,是世界上最大型的粒子物理学实验室。CERN 通过提供粒子加速器等基础设施,支持国际间的合作实验,旨在满足高能物理学的研究需要。据百度百科介绍,CERN 聘用的员工大约占了世界粒子物理学圈子的一半。

与此同时,CERN 也是万维网(www)的发源地,设有资料处理能力很强的大型电脑中心协助实验数据的分析,可供各地研究员使用。

雷锋网(公众号:雷锋网)从欧洲核子研究组织(CERN)官网了解到,「2020 欧洲粒子物理战略」的更新计划于 2018 年 9 月启动,当时 CERN 理事会成立了欧洲战略小组(ESG)以协调战略制定过程。2019 年 5 月,欧洲战略小组在西班牙格拉纳达举行的公开研讨会上共得到了近 200 份意见书。2020 年 1 月,在德国为期一周的起草会议上,最终达成了一致意见。

受疫情影响,原定于 5 月 25 日在布达佩斯宣布的「2020 欧洲粒子物理战略」推迟至 6 月 19 日宣布。

中日欧直接竞争!第三座“希格斯工厂”要来了,谁将率先揭开「上帝粒子」奥秘?

具体来讲,「2020 欧洲粒子物理战略」的最优先事项是对「希格斯玻色子」的研究和对高能前沿的探索,这也是解决粒子物理学中悬而未决的问题的两种关键而又互补的方法。

为此,成功完成高光度 LHC 仍是未来十年内欧洲粒子物理学的重点。

在高光度 LHC 之后,CERN 认为有必要优先开发一种作为“希格斯工厂”的电子-正电子对撞机,即未来环形对撞机(Future Circular Collider)。该对撞机的建造工作将在高光度 LHC 完全开发后的 10 年内开始,预计将于 2038 年完成运行。

此外,欧洲方面也计划就下一代强子对撞机,开展国际合作,进行技术和财务可行性研究,这将是一项更为长远的目标。

同时,这一战略也建议欧洲继续支持日本和美国的中微子项目。另外也将关注天体粒子和核物理等相关领域的合作项目。

CERN 总干事 Fabiola Gianotti 表示:

这项战略雄心勃勃,它以审慎、渐进的方式勾勒出欧洲和 CERN 光明的未来。 我们将继续投资 CERN 及其成员国与其他研究机构之间的合作项目。这些合作是科技持续进步的关键,能带来很多社会效益。

值得一提的是,上述项目除了能促进粒子物理领域的研究,也有很广泛的社会影响。

其一,加速器、探测器和计算的进步将对生物医学技术、航空航天应用、文化遗产、人工智能、能源、大数据和机器人等领域产生重大影响。

其二,与大型研究基础设施的合作有助于推动工业创新。

其三,从人力资本角度来看,上述项目培养的科学家、工程师、技术人员和专业人员也为工业和社会其他领域提供了人才。

中日欧三方竞争

上述战略中,CERN 提到了“希格斯工厂”。

2017 年,基础物理学突破奖得主、中国高能物理研究所所长王贻芳院士曾表示:

希格斯玻色子的发现,使我们看到了一种可能,那就是建设周长 100 公里的环形正负电子对撞机,也就是“希格斯工厂”。

目前,国际上有三个“希格斯工厂”项目——我国的超级质子对撞机(CEPC-SPPC)、日本的国际直线对撞机(ILC)、欧洲的未来环形对撞机(FCC)。

2012 年 9 月我国提出的 CEPC-SPPC 项目分两步,一期工程为 CEPC,能量达 120GeV,可作为希格斯工厂;二期工程为 SPPC,能量将达到 25~45TeV。

雷锋网注意到,就欧洲提出的战略,中科院高能物理所近日也在官网发布新闻称:

这份欧洲粒子物理战略确定了先建设一台正负电子希格斯(Higgs)工厂,再建设一台高能质子对撞机的路线图。这和我国高能物理学界倡议的环形正负电子对撞机-超级质子对撞机(CEPC-SPPC)设想是高度一致的。

就欧洲最近公布的战略,王贻芳院士在接受《中国科学报》采访时也表示:

欧洲是目前国际粒子物理最重要的一支力量,CERN 确定的研究方向、目标和路线图,对整个国际粒子物理发展会有巨大影响。不过,欧洲粒子物理战略中的决定并不让人吃惊。过去几年里,大家已经公认希格斯粒子的研究是未来高能物理发展的最主要目标。不令人吃惊是因为我们可能是最早讲这句话的人。

中日欧直接竞争!第三座“希格斯工厂”要来了,谁将率先揭开「上帝粒子」奥秘?

【王贻芳在大亚湾中微子实验站检查设备】

无疑,中、日、欧三方的竞争局面已然形成,对此,王贻芳院士也表示:

我们的优势在于,跟欧洲比,我们走在前面;跟日本比,我们的性能更优越,即使我们比他们建成得晚一点也不会有太大问题。三方各自都有一定的优势,我们很难说我们一定能胜出。最终谁能胜出,取决于各个国家对这件事情的支持,看谁能在时间上走在前面。

引用来源:

https://home.cern/news/news/physics/particle-physicists-update-strategy-future-field-europe

http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2020/202006/t20200620_5609587.html

https://www.sohu.com/a/403391752_115479?_f=index_pagerecom_9

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