
【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