科普之窗

对撞机,究竟是个什么机

冯杰

2023-02-09 02:17

陈缮真
光明日报( 2023年02月09日 16版)

在由科幻小说《三体》改编的同名电视剧中,对撞机可以说是最重要的道具了——正是因为“三体人”利用它们的高科技产物“智子”影响了地球上对撞机的实验,使得物理实验结果变得无规律可循,才让一部分科学家的信念崩塌,走上了自绝之路。那么,作为真实存在的科研设备,对撞机究竟是什么?它又对人类有哪些作用呢?

1.对撞机因何而生?

研究微观世界的大科学装置

在19世纪末期之前,人类对于世界的运行规律的认知几乎都只停留在宏观物体和现象上。19世纪末,从伦琴发现X射线,J.J.汤姆孙发现电子,卢瑟福发现α射线和β射线等实验起,物理学家们开始专注于微观世界的物理现象。特别是20世纪20年代量子力学建立之后,物理学家们逐渐意识到,在微观的尺度上,存在着一个跟宏观世界很不一样的世界,它的尺度如此之小,所以科学家们不得不借助一些特殊的实验仪器来观测其中的现象。

早期对于微观世界的研究,通常是对天然的放射性物质或宇宙线进行观测。那时的科学家,会将微观尺度的现象放大至宏观可见的尺度,然后再进行观测——科学家们会使用能在一些射线中曝光的照片底片,或者使入射粒子在过饱和蒸气中形成一连串的电离原子作为凝结核,进而在粒子轨迹上形成一连串的雾气的“云室”等来观测微观粒子造成的现象,并通过分析这些微观粒子所留下的径迹的结构和形状来推测粒子的性质。

在20世纪30年代前后,一个更加强大的粒子物理的研究工具出现了——劳伦斯发明了回旋粒子加速器。它的基本结构是两个半圆D型盒,以及D型盒之间的交流电场,两个半圆D型盒上则施加有可以使带电粒子偏转的磁场。在加速器的中心处放置有一个粒子源,其发射出的带电粒子受到电场的作用可以被加速,在进入半圆D型盒的磁场中时,则被磁场所偏转反向,并再次进入D型盒之间的交流电场。若时间调整合适,此时交流电场的方向正好可以翻转,带电粒子则再一次被加速。如此往复很多次,带电粒子就会被加速至带有较高的能量,其能量与方向均可被控制,可以极大地提高对微观粒子的研究能力。

回旋粒子加速器使得人类能够可控地获得带有较高能量的微观带电粒子,进而可以更准确地研究这些粒子的性质。然而由于相对论效应,高能量的粒子的回旋周期会随能量的增高而发生改变。于是科学家们将回旋粒子加速器的均匀磁场以及电场变化频率也做了调整,使之能够最大程度地让带电粒子获得能量。这种电场及磁场可控的粒子加速器叫做同步加速器。同时改变电场和磁场,也使得带电粒子在加速的时候不必须经历一个连续变化的半径,因此,同步加速器可以被做成环形。

由于量子效应的存在,想要研究更精细的粒子的结构,就必须获得更高的能量。加速器可以让粒子物理学家们获得前所未有的可控的高能量,于是粒子物理学的主要研究方式就变成了利用高能粒子加速器进行研究。因此,粒子物理学现在也被称为高能物理学。

早期的加速器主要用来加速带电粒子并轰击原子靶,进而对轰击产物进行统计分析。随着粒子物理实验的进展,粒子物理的理论也得到了蓬勃的发展。一些能量更高的粒子被预言,而想要产生这些粒子,则需要建设更高能量的实验设备。并且,利用被加速的粒子束来轰击固定靶的实验形式会将绝大多数的能量浪费在轰击产物的动能上,于是,实验物理学家们开发了一种能够大大节约能量的办法,那就是加速两束运动方向相反的粒子,以极为精细的操作控制粒子们的位置,让他们在极小的空间内对撞。利用这种办法,可以使粒子的动能最大化地被利用,而这,就是目前粒子物理学研究最重要的研究设备:对撞机。

2.对撞机有什么用?

科学发现的助推器,高技术应用的试验田

作为粒子物理学最重要研究设施的对撞机,能够直接决定粒子物理学大多数研究方向的发展水平。而粒子物理学的研究,则会直接面对物质最基本的组成成分,以及物质间的最基本的相互作用这样的研究对象,进而探索质量起源、宇宙演化、暗物质等最深刻、最神秘的课题。对物质的最基本的成分和相互作用的探索不仅仅可以满足人类的好奇心,也会为未来几十甚至上百年后的应用储备知识。

在一个科学技术健康发展的社会,基础科学的研究水平应该是超越当前的时代的。也只有如此,能够影响人类生活的技术才能在有科学理论指导的情况下发展。如果基础科学研究停滞,那么在一段时间之后,技术的发展也会因为缺乏科学依据而难以进步。也正是因为这样的逻辑,《三体》小说和电视剧才会有“三体人”利用干扰对撞机实验来“锁死”人类科技的情节。

然而,对撞机不仅仅能够对粒子物理学研究起到至关重要的作用。作为世界上最宏大与最先进的一类基础研究设施,对撞机也经常是最新、最大胆的技术的试验田。就比如,人类第一次大规模使用超导磁铁就是在建设于美国芝加哥郊外的费米实验室的Tevatron对撞机上。

再比如,万维网的诞生,也与对撞机有密切的联系。

虽然因特网在20世纪六七十年代就已诞生,但早期的因特网没有网站,因此,因特网的使用是一个高度技术性和专业性的工作。20世纪80年代末,在位于欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机正式开机运行的前夕,欧洲核子研究中心的数据科学家蒂姆·伯纳斯-李为了让粒子物理学家们更高效地共享信息,设计了超文本传输协议(HTTP)。不久,欧洲核子研究中心的科学家们按照这个协议搭建了人类历史上第一台万维网(WWW)服务器。从此,用户登录服务器上的网站,浏览网页获取信息成为可能。万维网的出现彻底改变了人类信息交流的方式,使得“上网”这件事从高度技术性的专业工作变成了人人可以完成的轻松小事。

可见,对撞机这种由成千上万不同组件构成的、汇集了数千科学家与工程师的智慧才能建造而成的设施,其发展也能够带动许多不同应用领域的发展。

3.未来对撞机什么样?

实现“希格斯工厂”对撞机

正如国内的很多现代学科一样,中国的粒子物理实验发展的历史比较短,道路也很曲折,但中国的高能物理学科发展得很快。

早在20世纪50年代,中国的物理学家就曾在苏联科学家的帮助下设想过在中国建设自己的粒子加速器。然而直到改革开放初期,中国的粒子加速器的最终建设方案才得以成型。

1981年12月22日,邓小平亲自听取了中国科学院关于建造22亿电子伏特正负电子对撞机建议报告会,并在会上批示:“这项工程进行到这个程度不宜中断,他们所提方案比较切实可行,我赞成加以批准,不再犹豫。”1984年10月7日,北京正负电子对撞机正式破土动工。1988年的10月18日,北京正负电子对撞机成功实现了首次对撞。至此,北京正负电子对撞机开始了它三十多年的科研生涯,在北京正负电子对撞机上运行的北京谱仪实验也成为第一个由我国主导的国际合作科学实验。

如今,在经过了几次重大升级改造之后,北京正负电子对撞机仍在运行中,并且已经是τ-粲能区物理领域全球最重要的研究设备。它也使得中国能在世界粒子物理研究的舞台上占据一席之地,也启发了不少科幻作品——电视剧《三体》中关于对撞机的部分,就是在北京正负电子对撞机的加速器隧道内取景拍摄的。

那么,未来对撞机会如何发展?中国又有哪些机会?

其实,对撞机物理一直在稳定发展中。2012年,在欧洲的大型强子对撞机上,科学家们发现了一种可以给其他基本粒子赋予质量的粒子,这种粒子被称为“希格斯粒子”,因为这种粒子与质量的特殊关系,它也常被媒体称为“上帝粒子”。希格斯粒子不仅仅和物质质量的起源有关系,早期宇宙演化的过程、暗物质等待探索的领域也与希格斯粒子息息相关。因此,未来对希格斯粒子的精确研究是国际粒子物理学界的共识。

在发现这种粒子的同时,科学家们也对它的质量进行了测量,并得出了最高效地产生这种粒子的方式,那就是以特定的能量进行正负电子对撞,能够通过这种形式大量产生希格斯粒子的对撞机被称为“希格斯工厂”。

有了这一信息,全球粒子物理研究主要强国纷纷提出了各自未来的“希格斯工厂”的方案。其中,2012年下半年,中国的科学家就率先提出了在中国建造环形正负电子对撞机方案,而欧洲科学家也紧随其后,提出了欧洲版的环形正负电子对撞机方案。日本的粒子物理学家则调整了原有的直线对撞机运行方案的能量,使得日本的对撞机方案也能大量产生希格斯粒子。

最近几年,在欧美日等国家和地区制定的粒子物理发展规划中,希格斯粒子的研究无一例外地均居于核心地位。欧洲的粒子物理发展战略认为,“希格斯工厂”是未来发展的最高优先级;美国的粒子物理战略讨论报告指出,美国将参加有希望最早实现“希格斯工厂”对撞机的项目。而2016年中国物理学会高能物理分会的决议中,也明确写明,我国提出的环形正负电子对撞机是我国未来高能加速器物理发展的首选项目。

与国际上其他几个“希格斯工厂”方案相比,中国方案在时间线上、粒子产出效率以及造价上均有一定的优势,因此也被国际粒子物理学界广泛视作未来旗舰型项目的主要选择之一。由于下一代对撞机的强大能力,国际上普遍认为,最先实现的“希格斯工厂”对撞机,将会成为未来国际粒子物理研究的核心。

应该说,如果中国能够把握住建设“希格斯工厂”对撞机的机会,那么下一代的中国粒子物理学家就真的有机会站到国际粒子物理学研究舞台的正中央。

(作者系中科院高能所特聘青年研究员)


]]>

2023-02-09 10:15
543
宇宙史的开篇会被改写吗