【人掉進去不知道會發生什麼事 σ`∀´)σ】為了「標準模型」,歐洲花 210 億建了更大的粒子對撞機 FCC

截圖自 CERN 說明影片

【為什麼我們挑選這篇文章】物理學中有個分支,粒子物理學,認為世界上構成物質的最基本單位是「粒子」。透過研究粒子之間的種種物理特性,小至了解各種物理原則,大至宇宙的形成,都能夠解釋。是名符其實的「一沙一世界、一花一天堂」。而其中,希格斯粒子被視為「質量之源」,所有粒子物理學家,幾乎窮盡一生想要了解「質量之源」。(責任編輯:鍾佳瑀)

在探尋「上帝粒子」和暗物質的路上,歐洲又往前走了一步。

2020 年 6 月 19 日,歐洲核子中心全票通過了《2020 歐洲粒子物理戰略》。該戰略決定,未來最高優先級別的事情,是研究希格斯粒子(即「上帝粒子」)和高能量前沿探索。

為此,歐洲核子研究中心通過了一項決策,計劃建造一台耗資 210 億歐元的高能物理實驗機器——未來環形對撞機(Future Circular Collider,FCC)。

下面是 Cern 的介紹影片:

「大強子對撞機」是目前規模最大的粒子物理實驗機器

這是一項長期計劃。2013 年《歐洲粒子物理戰略》更新時,就開始進行概念設計研究,打算建造一台比 LHC 能量更高的環形對撞機。

LHC 全稱「大強子對撞機」(Large Hadron Collider),是目前規模最大的粒子物理實驗機器,FCC 正是 LHC 的繼任者。

2012 年,科學家們通過 LHC 上的對撞實驗,證實了希格斯粒子存在,補上粒子物理學「標準模型」中最後一塊也是最重要的「拼圖」。

「標準模型」如何用在希格斯粒子?

「標準模型」是微觀現象的物理學基本理論,它被用於解釋物質世界的基本構成及其相互作用。

這個理論認為,希格斯粒子是「質量之源」。其他粒子通過和希格斯粒子相互作用,才能產生質量,接著有了引力,最終形成宇宙和生命。因此,希格斯粒子有另外一個廣為人知的稱號:「上帝粒子」。

從 20 世紀 60 年代「標準模型」被提出,到 2012 年希格斯粒子被捕獲,花費了 50 年時間。 在這半個世紀裡,立下汗馬功勞的,除了粒子科學家們,還有造價動輒上十億百億的高能粒子加速器。

能量更高的對撞機,意味著什麼?

大型對撞機其實可被視為一種特殊的粒子加速器。加速器並不是什麼稀奇事物,電視和計算機顯示器的顯像管,從原理上來說,就是一台小小的電子加速器。但像 LHC 這樣的高能粒子加速器,世界上唯此一台。

在加速器裡,科學家們將(帶電)粒子加速到很快的速度(最快可以接近光速,但不能超越光速),使其具有非常高的能量,然後轟擊到目標粒子上。
兩顆粒子碰撞後,會發出新粒子,這就是科學家們要觀測的事物。這個過程就好比,把兩個核桃相碰碎,外殼破裂後,得到裡面的核桃仁。

想看到更小的物質,就得用更快速度去碰撞

自 1931 年第一台圓形回旋加速器被發明,這種設備現在已經發生了翻天覆地的變化。第一台圓形回旋加速器只有巴掌大小,直徑約 11 釐米,造價 25 美金,從設計到建成不足 1 年。而 LHC,周長 27 公里,造價超過 50 億瑞士法郎,從提出設想到成功實驗,歷時 25 年。

變化如此之大的背後,都是為了實現更高的碰撞能量。對粒子物理實驗而言,如果想看到更小的物質,就必須用更快速度去碰撞,以產生更高的能量。第一台圓形回旋加速器的能量,只有 8 萬電子伏特,而 LHC 的碰撞能量以萬億計算,並且還經過多次升級,得以讓粒子物理實驗有所突破。

2011 年底,科學家們已經發現了希格斯粒子存在的跡象,但還不能完全肯定。2012 年 4 月,為了精准捕獲希格斯粒子,歐洲核子研究中心把 LHC 的最高能量,從 7 萬億電子伏特升級到了 8 萬億電子伏特。

捕獲「上帝粒子」後,歐洲核子研究中心又對 LHC 進行了多次升級。2015 年 5 月,把 LHC 對撞能量升級到了 13 萬億電子伏特。

2021 重啟後,對撞能量將達 14 萬億電子伏特

2018 年 12 月再次停機升級,2021 年 5 月重啓後,對撞能量將達 14 萬億電子伏特。

2025 年最後一次停機,直至 2027 年升級為「高亮度 LHC」。雖然對撞能量沒有提升,但能產生更多碰撞,積累數據將超過 LHC 10 倍。

儘管 LHC 有多次升級,但對於粒子物理來說,想要更上一層樓,得建造一個更大的實驗機器。

捕獲「上帝粒子」之後

捕獲希格斯粒子後,「標準模型」完整了,但科學家們的工作沒有停止。不管是理論還是實驗結果,都表明這不是物質原理的終點。

「標準模型」能涵蓋宇宙大爆炸後許多物理過程和現象,但卻無法解釋暗物質、暗能量以及物質和反物質不平衡的問題。補充「標準模型」漏洞的「超對稱理論」,可以解釋暗物質、暗能量,但其預言的超對稱粒子,至今沒有找到。

希格斯粒子被認為能突破現有物理理論

諸多還沒解開的物理謎團,需要新物理來解釋。而精准測量「標準模型」的核心——希格斯粒子,被認為是尋找新物理的最好突破口。

上文說到,LHC 在多次升級的情況下,最大對撞能量也只有 14 萬億電子伏特,還不能滿足精確測量希格斯粒子的需求。想要把希格斯粒子性質測量至 1% 的精度,需要可以產生 100 萬億電子伏特能量的設備。

因此,就誕生了 FCC 這樣更加龐大的對撞機計劃。FCC 全長 100 公里,被安置在一個環形隧道裡面,約 6 倍於正在運行的大強子對撞機(Large Hadron Collider,簡稱 LHC)。按 CERN 的規劃,這個項目將坐落在瑞士和法國接壤區域。

在下圖中,橙色粗虛線即 FCC,左上角藍色實現為 LHC,其周長 27 公里,是目前碰撞能量最大的粒子對撞機。

這個項目實際上分兩步,第一步是建造一台高亮度的正負電子對撞機,碰撞能量與 LHC 級別類似。第二步是終極目標,打造碰撞能量為 100 萬億電子伏特的質子-質子對撞機。

正負電子對撞機擁有極高的訊噪比,可在極高精度下對希格斯粒子進行測量,因此又被稱為「希格斯工廠」,專門用於產生大量的「上帝粒子」,進而探究其性質。中國倡議的環形正負電子對撞機(CEPC),也是和 FCC 第一步大同小異的「希格斯工廠」。

打造對撞機的核心爭議:投入產出比例太低

不管是歐洲的 FCC,還是中國的 CEPC,都有一個核心的爭議:投入產出比。
歐洲的 FCC 預估造價 210 億歐元,中國的 CEPC 造價 400 億元,之後的質子對撞機(SppC),造價 1000 億元。這些費用通常會由國際社會共同承擔,以中國 CEPC 和 SppC 為例,國際貢獻 30%,中國出資 70%。

如此巨額的投入,卻面臨著巨大的不確定性。建造更大對撞機的長遠目標,是為了探尋「標準模型」之外的新物理,但沒有證據表明,暗物質粒子和超對稱粒子會出現在新設備的能量範圍裡。

理論物理學家楊振寧一直旗幟鮮明地反對建 CEPC,「超對稱粒子的存在只是一個猜想,沒有任何實驗根據,希望用極大對撞機發現此猜想中的粒子,更只是猜想加猜想」。美國曾經也有一個這樣的項目,叫超導超級對撞機(SSC),因為造價飆升而中途放棄,白白浪費了 30 億美元。

不過,這樣大型的對撞機項目,有的時候會產生技術溢出效應,出現粒子物理領域外的收益。比如,因為要供全球科學家交流信息,歐子核子研究中心誕生了 Web 時代的基礎——萬維網(編按:又稱 www)。因為要計算大量實驗數據,該機構又發展出世界最大網格計算環境。

(本文經合作夥伴 品玩 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈花 210 億歐元建更大的粒子對撞機,歐洲為什麼要做這事?〉。)

(本文提供合作夥伴轉載。)

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