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| 本文作者： 付靜 | 2020-06-30 18:45 |
“希格斯工廠”已成為國際高能物理領(lǐng)域的共同目標(biāo)，是國際科學(xué)領(lǐng)域所要攀峰的珠穆朗瑪峰。
近日，中科院高能物理所研究員、環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）加速器負(fù)責(zé)人高杰在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)這樣回答。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間 2020 年 6 月 19 日，歐洲核子研究組織（CERN）理事會(huì)公布「2020 歐洲粒子物理戰(zhàn)略」，確定了首先建設(shè)一臺(tái)正負(fù)電子希格斯（Higgs）工廠、再建一臺(tái)高能質(zhì)子對(duì)撞機(jī)的路線圖。
這一戰(zhàn)略意義深遠(yuǎn)，不僅將為歐洲粒子物理的發(fā)展起到指導(dǎo)作用，在全球粒子物理學(xué)領(lǐng)域也將對(duì)中國、日本和歐洲“希格斯工廠”建設(shè)的競(jìng)爭(zhēng)局面產(chǎn)生影響。
什么是對(duì)撞機(jī)？什么是“希格斯工廠”？一切都要從希格斯玻色子說起。
物理上習(xí)慣將一種遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)、自旋量子數(shù)為整數(shù)的粒子稱為玻色子。
1964 年，有三組研究人員幾乎同時(shí)地獨(dú)立研究出一種“希格斯機(jī)制”并發(fā)表論文，英國物理學(xué)家、希格斯玻色子提出者彼得·希格斯（Peter Higgs）就在其中一組。
1964 年的這三篇論文，在世界物理學(xué)頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《 物理評(píng)論快報(bào) 》50 周年慶祝文獻(xiàn)里被公認(rèn)為里程碑論文。
在當(dāng)時(shí)的論文中， 基于希格斯機(jī)制，Peter Higgs 預(yù)言了希格斯玻色子的存在。
雖然學(xué)界傾向于認(rèn)為其預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確無誤，但預(yù)測(cè)只是預(yù)測(cè)，最終還是要經(jīng)過論證。直至 1980 年代，希格斯玻色子存在與否，已成為粒子物理學(xué)最重要的未解難題之一。
希格斯玻色子的神秘性，從它的別稱「上帝粒子」中便可略知一二（據(jù)說希格斯玻色子在大爆炸之后的宇宙形成過程中扮演了重要角色）。
正所謂，工欲善其事，必先利其器。
1994 年，為確認(rèn)或排除希格斯玻色子的存在，歐洲核子研究組織（CERN）立項(xiàng)了大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）。
雷鋒網(wǎng)了解到， 對(duì)撞機(jī)是在高能同步加速器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種裝置，其原理是通過前級(jí)加速器注入的兩束粒子流進(jìn)行對(duì)撞，從而產(chǎn)生足夠高的相互作用反應(yīng)率，以測(cè)量高能粒子。
14 年后，這一全球 80 多個(gè)國家近萬名科學(xué)家的心血結(jié)晶正式建成。
終于，持續(xù)了近半個(gè)世紀(jì)的難題有眉目了。
2012 年 7 月 4 日，歐洲核子研究組織（CERN）舉行專題討論會(huì)與新聞發(fā)布會(huì)宣布，LHC 緊湊 μ 子線圈發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量為 125.3±0.6GeV 的新玻色子，標(biāo)準(zhǔn)差為 4.9；超環(huán)面儀器發(fā)現(xiàn)質(zhì)量為 126.5GeV 的新玻色子，標(biāo)準(zhǔn)差為 4.6。
不少學(xué)者認(rèn)為這兩個(gè)粒子可能就是希格斯玻色子。
2013 年 3 月 14 日，歐洲核子研究組織（CERN）發(fā)布新聞稿表示，先前探測(cè)到的新粒子正是希格斯玻色子，消息一出，世界震驚。
希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)取得了重大進(jìn)展，不過科學(xué)家們對(duì)微觀世界的探索依舊在繼續(xù)。
近幾年，LHC 也經(jīng)歷了幾次停機(jī)維護(hù)和重啟。
因此，歐洲核子研究組織（CERN）開始考慮升級(jí) LHC 了——2019 年 8 月 1 日，歐洲核子研究組織（CERN）透露，LHC 的“繼任者”高光度 LHC（HL-LHC）已開始建造。據(jù)了解，其亮度將比 LHC 高 5-10 倍，從而大大提升了性能。
實(shí)際上，這也是歐洲核子研究組織（CERN）「2020 歐洲粒子物理戰(zhàn)略」的其中一項(xiàng)內(nèi)容。
在了解「2020 歐洲粒子物理戰(zhàn)略」涉及到哪些內(nèi)容之前，還是先來簡(jiǎn)單了解一下歐洲核子研究組織（CERN）。
在粒子物理學(xué)界，歐洲核子研究組織（CERN）的地位可以說是舉足輕重。
CERN 成立于 1954 年，位于瑞士日內(nèi)瓦近郊地區(qū)，是世界上最大型的粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室。CERN 通過提供粒子加速器等基礎(chǔ)設(shè)施，支持國際間的合作實(shí)驗(yàn)，旨在滿足高能物理學(xué)的研究需要。據(jù)百度百科介紹，CERN 聘用的員工大約占了世界粒子物理學(xué)圈子的一半。
與此同時(shí)，CERN 也是萬維網(wǎng)（www）的發(fā)源地，設(shè)有資料處理能力很強(qiáng)的大型電腦中心協(xié)助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可供各地研究員使用。
雷鋒網(wǎng)從歐洲核子研究組織（CERN）官網(wǎng)了解到，「2020 歐洲粒子物理戰(zhàn)略」的更新計(jì)劃于 2018 年 9 月啟動(dòng)，當(dāng)時(shí) CERN 理事會(huì)成立了歐洲戰(zhàn)略小組（ESG）以協(xié)調(diào)戰(zhàn)略制定過程。2019 年 5 月，歐洲戰(zhàn)略小組在西班牙格拉納達(dá)舉行的公開研討會(huì)上共得到了近 200 份意見書。2020 年 1 月，在德國為期一周的起草會(huì)議上，最終達(dá)成了一致意見。
受疫情影響，原定于 5 月 25 日在布達(dá)佩斯宣布的「2020 歐洲粒子物理戰(zhàn)略」推遲至 6 月 19 日宣布。
具體來講，「2020 歐洲粒子物理戰(zhàn)略」的最優(yōu)先事項(xiàng)是對(duì)「希格斯玻色子」的研究和對(duì)高能前沿的探索，這也是解決粒子物理學(xué)中懸而未決的問題的兩種關(guān)鍵而又互補(bǔ)的方法。
為此，成功完成高光度 LHC 仍是未來十年內(nèi)歐洲粒子物理學(xué)的重點(diǎn)。
在高光度 LHC 之后，CERN 認(rèn)為有必要優(yōu)先開發(fā)一種作為“希格斯工廠”的電子-正電子對(duì)撞機(jī)，即未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)（Future Circular Collider）。該對(duì)撞機(jī)的建造工作將在高光度 LHC 完全開發(fā)后的 10 年內(nèi)開始，預(yù)計(jì)將于 2038 年完成運(yùn)行。
此外，歐洲方面也計(jì)劃就下一代強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，開展國際合作，進(jìn)行技術(shù)和財(cái)務(wù)可行性研究，這將是一項(xiàng)更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)。
同時(shí)，這一戰(zhàn)略也建議歐洲繼續(xù)支持日本和美國的中微子項(xiàng)目。另外也將關(guān)注天體粒子和核物理等相關(guān)領(lǐng)域的合作項(xiàng)目。
CERN 總干事 Fabiola Gianotti 表示：
這項(xiàng)戰(zhàn)略雄心勃勃，它以審慎、漸進(jìn)的方式勾勒出歐洲和 CERN 光明的未來。 我們將繼續(xù)投資 CERN 及其成員國與其他研究機(jī)構(gòu)之間的合作項(xiàng)目。這些合作是科技持續(xù)進(jìn)步的關(guān)鍵，能帶來很多社會(huì)效益。
值得一提的是，上述項(xiàng)目除了能促進(jìn)粒子物理領(lǐng)域的研究，也有很廣泛的社會(huì)影響。
其一，加速器、探測(cè)器和計(jì)算的進(jìn)步將對(duì)生物醫(yī)學(xué)技術(shù)、航空航天應(yīng)用、文化遺產(chǎn)、人工智能、能源、大數(shù)據(jù)和機(jī)器人等領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。
其二，與大型研究基礎(chǔ)設(shè)施的合作有助于推動(dòng)工業(yè)創(chuàng)新。
其三，從人力資本角度來看，上述項(xiàng)目培養(yǎng)的科學(xué)家、工程師、技術(shù)人員和專業(yè)人員也為工業(yè)和社會(huì)其他領(lǐng)域提供了人才。
上述戰(zhàn)略中，CERN 提到了“希格斯工廠”。
2017 年，基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)得主、中國高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳院士曾表示：
希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，使我們看到了一種可能，那就是建設(shè)周長(zhǎng) 100 公里的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，也就是“希格斯工廠”。
目前，國際上有三個(gè)“希格斯工廠”項(xiàng)目——我國的超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（CEPC-SPPC）、日本的國際直線對(duì)撞機(jī)（ILC）、歐洲的未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）。
2012 年 9 月我國提出的 CEPC-SPPC 項(xiàng)目分兩步，一期工程為 CEPC，能量達(dá) 120GeV，可作為希格斯工廠；二期工程為 SPPC，能量將達(dá)到 25~45TeV。
雷鋒網(wǎng)注意到，就歐洲提出的戰(zhàn)略，中科院高能物理所近日也在官網(wǎng)發(fā)布新聞稱：
這份歐洲粒子物理戰(zhàn)略確定了先建設(shè)一臺(tái)正負(fù)電子希格斯（Higgs）工廠，再建設(shè)一臺(tái)高能質(zhì)子對(duì)撞機(jī)的路線圖。這和我國高能物理學(xué)界倡議的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)-超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（CEPC-SPPC）設(shè)想是高度一致的。
就歐洲最近公布的戰(zhàn)略，王貽芳院士在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)也表示：
歐洲是目前國際粒子物理最重要的一支力量，CERN 確定的研究方向、目標(biāo)和路線圖，對(duì)整個(gè)國際粒子物理發(fā)展會(huì)有巨大影響。不過，歐洲粒子物理戰(zhàn)略中的決定并不讓人吃驚。過去幾年里，大家已經(jīng)公認(rèn)希格斯粒子的研究是未來高能物理發(fā)展的最主要目標(biāo)。不令人吃驚是因?yàn)槲覀兛赡苁亲钤缰v這句話的人。
【王貽芳在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)站檢查設(shè)備】
無疑，中、日、歐三方的競(jìng)爭(zhēng)局面已然形成，對(duì)此，王貽芳院士也表示：
我們的優(yōu)勢(shì)在于，跟歐洲比，我們走在前面；跟日本比，我們的性能更優(yōu)越，即使我們比他們建成得晚一點(diǎn)也不會(huì)有太大問題。三方各自都有一定的優(yōu)勢(shì)，我們很難說我們一定能勝出。最終誰能勝出，取決于各個(gè)國家對(duì)這件事情的支持，看誰能在時(shí)間上走在前面。
引用來源：
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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