反对建大型对撞机?先了解高能物理好吧

品玩 · 2019-12-13
大型对撞机是高能物理科学家最有力的实验工具。

编者按:本文来自微信公众号“PingWest品玩”(ID:wepingwest), 作者:Decode,36氪经授权发布。

一篇《杨振宁的最后一战》,又让大型对撞机之争呈现在公众舆论场。

早在 2016 年 8 月,华裔数学家丘成桐接受新华社采访时说,希望在中国秦皇岛市山海关建设大型粒子对撞机。这篇报道不仅引发了广泛的社会关注,还掀起了一场物理界的争辩。

9 月,理论物理学家杨振宁发布文章,反对中国建设大型对撞机。中国科学院高能物理研究所所长、实验高能物理学家王贻芳也撰文,列举中国今天应该建造大型对撞机的理由。

《杨振宁的最后一战》一文,不过是当时论战的回音。且不论该建不该建,大多数普通人都可以借着这次讨论补习一下高能物理基础知识。

高能物理研究的是什么?

高能物理又称之为粒子物理,是 20 世纪后半世纪最红的物理学分支,主要研究比原子核更小的微观物质,以及微观物质在高能量下的变化。

在粒子物理中,有个“基本粒子”概念,指的是组成物质的最基本单位。随着物理学不断发展,基本粒子的内涵也在变化。

曾经,原子被认为是基本粒子。20 世纪初,科学家发现原子是由电子和原子核组成的。后来,又发现原子核由质子和中子构成,而质子和中子由更基本的夸克组成。

根据粒子物理中的“标准模型”,基本粒子共 61 种,包括 36 种夸克、12 种轻子、12 种媒介子以及 1 个希格斯粒子。已知的所有粒子,都由这些基本粒子组成。

粒子物理科学家做的事概括起来,就是不断研究粒子的内部结构和性质,发现新的、更小的粒子。

为什么研究微观的基本粒子,要用大型对撞机?

推动科学家不断发现更基本粒子的“幕后英雄”,是越来越先进的观测物质结构的实验装置。

目前,粒子加速器是粒子物理科学家最有力的实验工具。粒子加速器的原理是,带电粒子在电场中会受力而加速、提高能量。

▲加速器结构示意图

其实,粒子加速器离普通人的生活并不遥远。电视和计算机显示器的显像管,从原理上来说,就是一台小小的电子加速器。

大型对撞机可被视作一种特别的粒子加速器。在大型对撞机里,科学家们将粒子加速到很高的速度(最快可以接近光速)、提高到很高的能量,然后轰击到固定的靶粒子上,通过分析碰撞后的产物,推测粒子是由什么构成的。

大型对撞机产生粒子的能量越高,就越能观测到更小的物质组成。因此,“能量”是衡量大型对撞机的一个主要指标。

“上 帝粒子”为什么这么重要?

欧洲核子中心(简称 CERN)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,简称 LHC),是当前世界最先进的粒子加速器。2012 年,科学家们通过 LHC 上的对撞实验,发现了希格斯玻色子

根据希格斯机制,希格斯场是一种不可见的、遍及整个宇宙的能量场。其他基本粒子在和希格斯场相互作用中获得了质量。希格斯玻色子也通过自相互作用获得质量。

标准模型和宇宙大爆炸理论认为,宇宙起源于一次大爆炸,轻子和夸克通过与希格斯场的相互作用获得了质量,产生了引力。这些粒子构成物质,并通过长时间的演化,形成了星系,进化出了生命,最终形成今天的物质世界。因此,希格斯玻色子又被称之为“上 帝粒子”。

在宇宙大爆炸之初,“质量之源”希格斯玻色子已经完成了它的使命。全球科学家们花了近 50 年时间,才通过 LHC 的对撞实验,模拟宇宙起源时刻,“复活”出了希格斯玻色子。

在此之前,其他基本粒子都已经被证实存在。希格斯玻色子被发现,意味着找到了标准模型中最后一块拼图。

中国建大型对撞机的背景是什么?

标准模型完整了,但希格斯玻色子还有大量性质没有被测量。标准模型也不是完美的,中微子质量、暗物质、暗能量、宇宙的物质与反物质不对称等问题都无法通过它得到解释。

粒子物理有了新的研究方向:挖掘出标准模型背后的物理规律(又被称为新物理),探索超越标准模型的新粒子和新相互作用。对希格斯玻色子深入研究,可能是最好的突破口。

与此同时,欧洲核子中心 LHC 的能力也达了极限。想进一步探索希格斯玻色子,要建造一个能量更高的粒子加速器。

欧洲核子中心正在进行 LHC 亮度升级计划,将亮度提升 5 到 10 倍,以采集更多实验数据。同时,欧洲核子中心还在规划未来环形对撞机(FCCee)。

日本政府正积极推动国际直线对撞机(ILC)项目。美国一方面在将费米实验室的加速器转去全力研究中微子,一方面在研究缪子对撞机的原理,打算将来用它研究希格斯玻色子。

2012 年 9 月,中国科学院高能物理研究所提出建造环形正负电子对撞机(Circular Electron Positron Collider,简称 CEPC),并且在实验有一定成果后,改造为高能质子对撞机(Super proton-proton Collider,简称 SppC)。

该方案一期建设周长 50–70 公里、能量 250 GeV(十亿电子伏特)的 CEPC,作为希格斯粒子工厂。二期在同一隧道中建造 50–70 TeV(万亿电子伏特)的 SppC,能量比欧洲核子中心正在运行的 LHC 高 7 倍。

▲中科院高能物理所 2014 年做的时间计划表

杨振宁反对 CEPC 的核心问题是建造费用,王贻芳给出了估价和测算方法。

第一步环形正负电子对撞机(CEPC)建设阶段,约在 2022–2030 年间,工程造价(不包括土地、“七通一平” 等)约 400 亿人民币。第二步质子对撞机(SppC)阶段,工程造价在 1000 亿人民币以内,时间是在 2040–2050 年左右。

如果减去国际贡献约 30%,中国政府应该出资大约 300 亿人民币(每年 30 亿)和 700 亿人民币(每年 70 亿)。

400 亿和 1000 亿人民币是什么概念?我们可以对比其他科学工程感受一下。

据《中国发展观察》一篇文章,大亚湾中微子实验耗资 2.5 亿元,就测量出了第三种中微子振荡的混合角。河北兴隆的郭守敬望远镜(LAMOST),投资 2.35 亿元。位于贵州平塘的 500 米口径球面射电望远镜(FAST),耗资 6.67 亿元。江门中微子实验正在建设,预计投资 20 亿元。

再看看中国其他领域的大型工程,珠港澳大桥耗资 1100 亿人民币,武广高铁花费 1166 亿人民币。

超对称粒子又是什么?

杨振宁在反对建 CEPC 的文章中,提到有些高能物理学家希望用超大对撞机发现“超对称粒子”。

值得注意的是,超对称粒子是第二期 SppC 才有机会做到的事,第一期 CEPC 的目的只是为了测量希格斯玻色子。

超对称粒子背后是超对称理论。这个理论认为,自然界中存在着一种对称性,能够把玻色子和费米子联系起来。在对称变换中,费米子会转变为玻色子,反之亦然。这种对称性被命名为超对称。但时至今日,超对称粒子都还没有在实验中被发现。

超对称理论由弦理论发展而来。1968 年,科学家们提出来弦理论,以更好地解释宇宙的本源。弦理论认为,基本粒子不是以点状存在的,而一条一维的足够细小的线段,就像琴弦一样。为了实现理论的自洽,早期弦理论扩展到了高达 26 维的空间上,让弦理论成为一种玄学。

后来发展出了超弦理论。据瞭望智库,这个理论认为宇宙真正的时空,其实是一个十维的空间,其中四维是爱因斯坦的时空流形(也就是我们的日常生活空间),另外一个和它‘垂直’的还有一个很小很小的六维流形。在这个十维空间中,有一种最小单位的弦纵横其中。

打个比喻,十维空间是宇宙这座大琴的音箱,拨动这些弦造成不同的音高与音色,于是产生不同的基本粒子,进而发展出所有的物质与作用力。

再后来,又发展出 M 理论(有人称为膜理论、Monther 理论),认为宇宙是从十一维开始演进的。遗憾的是,超弦理论虽然自洽,依然它依然只是一个数学框架,尚不能被实验所证实。

主要参考资料:

中科院高能物理所:什么是粒子加速器?

想参与大型对撞机之争?先搞清基本背景

十问“希格斯粒子”与“环形正负电子对撞机”

简洁就是一种美,超弦理论的发展史话

这应该是关于物理学最强的科普

封面图来自pexels

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