花 210 億歐元建更大的粒子對撞機,歐洲為什麼要做這件事?

作者 | 發布日期 2020 年 07 月 21 日 8:30 | 分類 天文 , 尖端科技 Telegram share ! follow us in feedly


在探尋「上帝粒子」和暗物質的路上,歐洲又往前走了一步。

6 月 19 日,歐洲核子研究組織全票通過《2020 歐洲粒子物理戰略》,決定最高優先等級就是研究希格斯玻色子(即「上帝粒子」)和推動高能物理學。

故歐洲核子研究中心通過決策,計劃建造耗資 210 億歐元的高能物理實驗機──新世代環狀對撞機(Future Circular Collider,FCC)。

這是一項長期計畫。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 能量更高的環狀對撞機。

LHC 全稱「大型強子對撞機」(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,科學家透過 LHC 對撞實驗,證實希格斯玻色子存在,補上粒子物理學「標準模型」最後一塊也最重要的拼圖。

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

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

從 1960 年代「標準模型」提出,到 2012 年證實希格斯玻色子,花了 50 年。這半世紀裡,立下汗馬功勞的除了粒子科學家,還有造價動輒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?

大型對撞機其實可視為特殊的粒子加速器。加速器並不是什麼稀奇東西,電視和電腦顯示器的顯像管,從原理來說,就是小型電子加速器。但像 LHC 這類高能粒子加速器,世界僅此一台。

在加速器裡,科學家將(帶電)粒子加速到非常快(最快可接近光速,但無法超越光速),使其具非常高能量,然後轟擊到目標粒子。

兩顆粒子碰撞後,會碰出新粒子,就是科學家要觀測的對象。過程好比把兩個核桃相撞,外殼破掉後,得到裡面的核桃仁。

自 1931 年第一台圓形迴旋加速器發明出來,這種裝置已發生翻天覆地的變化。第一台圓形迴旋加速器只有巴掌大,直徑約 11 公分,造價 25 美元,從設計到建成不到一年。而 LHC 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。

變化如此大的背後,都是為了更高的碰撞能量。對粒子物理實驗而言,如果想看到更小的物質,就必須用更快速度碰撞,以產生更高的能量。第一台圓形迴旋加速器的能量只有 8 萬電子伏特,LHC 的碰撞能量是以兆計算,且還經過多次升級,讓粒子物理實驗不斷突破。

2011 年底,科學家發現希格斯玻色子存在的跡象,但還無法完全確定。2012 年 4 月,為了精準擷取希格斯玻色子,歐洲核子研究中心把 LHC 的最高能量,從 7 兆電子伏特升到 8 兆電子伏特。

擷取「上帝粒子」後,歐洲核子研究中心又多次升級 LHC。2015 年 5 月,將 LHC 對撞能量升到 13 兆電子伏特。

2018 年 12 月再次停機升級,2021 年 5 月重啟後,對撞能量將達 14 兆電子伏特。

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,積累資料將超過 LHC 10 倍。

儘管 LHC 多次升級,但對粒子物理來說,想更上一層樓,就得建造更大的實驗機器。

擷取「上帝粒子」後

擷取希格斯玻色子後,「標準模型」完整了,但科學家的工作沒有停止。不管理論還是實驗結果,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」可解釋暗物質、暗能量,但預言的超對稱粒子,至今還沒有找到。

諸多還沒解開的物理謎團,需要新物理來解釋。而精準測量「標準模型」的核心──希格斯玻色子,被認為是搜尋新物理的最好破口。

LHC 多次升級的情況下,最大對撞能量也只到 14 兆電子伏特,無法滿足精確測量希格斯玻色子的需求。想把希格斯玻色子性質測量至 1% 精確度,需要能產生 100 兆電子伏特能量的裝置。

因此,就誕生了 FCC 對撞機計畫。FCC 全長 100 公里,安置在環形隧道裡,約 6 倍於正在運行的 LHC。按 CERN 的規劃,FCC 將坐落在瑞士和法國交接處。

下圖白色圓圈即 FCC 占地,左上角藍色為 LHC 現址,長 27 公里,是目前碰撞能量最大的粒子對撞機。

FCC 計畫分成兩步,第一步是建造高亮度的正負電子對撞機,碰撞能量與 LHC 類似。第二步是終極目標,打造碰撞能量為 100 兆電子伏特的質子─質子對撞機。

正負電子對撞機擁有極高信噪比,可在極高精準度下測量希格斯玻色子,因此又稱為「希格斯工廠」,專門產生大量「上帝粒子」探究性質。中國提倡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。

不管歐洲 FCC 還是中國 CEPC,都有個核心爭議:投入產出比。

歐洲 FCC 預估造價 210 億歐元,中國 CEPC 造價 400 億人民幣,之後的質子對撞機(SppC)更造價 1,000 億人民幣。這些費用通常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%。

如此巨額投入,卻面臨極大不確定性。建造更大對撞機的長遠目標,是為了探尋「標準模型」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裝置的能量範圍。

理論物理學家楊振寧一直反對建設 CEPC,「超對稱粒子只是猜想,沒有任何實驗根據,冀望用極大對撞機發現猜想粒子,只是猜想加猜想。」美國曾也有類似計畫,名叫「超導超大型加速器」(Superconducting Super Collider,SSC),因造價飆升而中途放棄,浪費了 20 億美元。

不過大型對撞機計畫有時候會產生技術外溢效應,出現粒子物理領域外的收益。如要供全球科學家交流資訊,歐子核子研究中心誕生了 Web 時代的基礎──全球資訊網;因要計算大量實驗資料,又發展出世界最大網格計算環境。

(本文由 PingWest 授權轉載;首圖來源:CERN

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