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例如,量子电动力学预言了实光子之间的相互作用。如果能够让实光子对撞,并精确测量它们的相互作用,将是对量子电动力学的一次新角度的检验。

北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一。1988年10月16日,两束正负电子在北京西郊一个羽毛球拍状的巨型机器里成功对撞,揭开了我国高能物理研究的新篇章。在稳定、高效运行了15年后,北京正负电子对撞机于2003年圆满完成了预定的科学使命。

伽马粒子是光子家族里能量较高的一员,不带电荷。这种不带电的性质让人类一直对它束手无策。

——焦点二:对撞机世界发展状况怎样?

“我们想先建一个100万电子伏特的伽马光子对撞机,之后再将其升级到1亿电子伏特,最终可能升级到能够建造‘希格斯工厂’的1250亿电子伏特。”周为仁说。

“一对高能正反粒子碰撞会湮灭,然后产生新的粒子。所以,对撞机可以帮助我们研究这些新粒子的内在性质、产率及其能量和动量的分布,理解粒子之间的基本相互作用,从而回答一些基础物理问题,如到底有哪些基本粒子,有怎样的相互作用,粒子的质量从哪里来,物质的起源等。”曹则贤说。

■本报记者 倪思洁

上世纪以来,人类对于物质结构的认知已经从分子、原子、原子核层次,逐步深入到更小的结构单位夸克和轻子。如何对这些愈加微小粒子进行研究,这活儿只能让对撞机干。

“这个想法很好,是未来可能考虑的研发方向之一,但还需要深入研究。例如,应当对加速器物理过程进行模拟,考虑探测器的本底环境等。”中科院高能物理研究所研究员陈和生说。

朱宏博说,目前,国际上正在运行的除了欧洲大型强子对撞机,还有美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机,中国科学院高能物理研究所的北京正负电子对撞机等。拟建的有日本的国际直线对撞机,欧洲核子研究中心的未来环形对撞机和紧凑型高能直线正负电子对撞机等。

光,虽然看起来普通,却一直是物理界研究的重点。科学家从未打消过对光的好奇,一些在物理学界知名的理论还预言了光子的性质。

中科院高能物理研究所副研究员、国家“青年千人计划”入选者朱宏博说,过去50年,粒子物理学界最为成功的理论模型就是标准模型,这一模型很大程度上是通过对撞机实验的充分验证而逐渐确立的。历史上,近20位诺贝尔物理学奖获得者的工作都与确立标准模型有关,代表着主流科学社会对于对撞机及其实验研究的高度认可。

电子的能量一旦提高,激光每秒钟携带的能量也需要提高,还要很好地聚焦。“这个能量大小代表了激光束中所含光子的多少。如果电子和激光束中的粒子很疏松,那么,电子和光子很有可能要彼此错过了。”张闯说。

历史上也有遇挫的例子,比如为人熟知的美国的超导超级对撞机。遇挫的项目往往技术预研究不够充分就匆匆上马,工期延长,成本上升。所以,对于未来对撞机项目,需充分重视技术预研的重要性,细致工作、严密论证,为项目顺利实施奠定扎实基础。

虽然这只是魔幻世界里的想象,但在现实世界里,科学家也很好奇当两束光子对撞后会发生什么。

——焦点一:什么是对撞机?

面对着激烈的国际竞争,国内科学家选择的路线是先建一个低能伽马光子对撞机,再逐步提升能量。

对撞机究竟是什么?国外发展如何?中国进展怎样?“新华视点”记者采访了业内权威专家。

别的国家干啥去了

中科院高能物理研究所所长王贻芳此前表示,规划的大型对撞机项目(以周长为100公里算)分两步走:第一步正负电子对撞机建设阶段,约在2022年至2030年间;第二步质子对撞机阶段,需要经过充分的科技攻关,严密的技术论证。

研究小组预计,如果不包括实验站建设,伽马光子能量达到1MeV的对撞机造价约为人民币1亿元,占地约500平方米,建设周期3至5年。

对撞机家族成员众多。按照对撞粒子的种类分,可分为电子对撞机、质子-质子对撞机、电子-质子对撞机和重离子对撞机等;按照对撞机的形状分,可分为环形对撞机和直线对撞机。

中科院高能物理研究所研究员张闯告诉《中国科学报》记者,目前世界上直线电子加速器能达到的最高能量为500亿电子伏特左右,国内能量最高的还只有25亿电子伏特左右。而环形加速器虽然能让电子能量更高,但随着能量的提高,电子束旋转产生的同步辐射损失的能量会大大增加。

回顾我国对撞机的发展历程,朱宏博说,上世纪七八十年代,经李政道、潘诺夫斯基等建议,国内科学家设计并充分论证,经国家领导人批示,建造北京正负电子对撞机。

当然,这些都建立在一个前提上,即让伽马光子撞上,且撞得越猛越好。

曹则贤表示,中国目前在北京、合肥和上海三地有加速器,但只有北京的加速器作为正负电子对撞机使用,运行在十亿电子伏特的能量水平上。如果有大型对撞机,可以在更高能量水平上从事粒子物理研究。

既然伽马光子对撞机的用处这么大,为什么国际至今都没建呢?“很多国家都在尝试建造高能的伽马光子对撞机,但目前面临着经费、电子加速器能量、激光能量的限制。”伽马光子对撞机研究小组成员周为仁说。

在科学家眼中,对撞机就像一个具有神奇法力的“大魔盒”。因为当粒子被加速到极高能量、进行对撞后,没准儿就会产生地球上极为稀少的重要物理现象,通过捕捉、测量这些新现象,人类可以进一步发现自然世界的基本规律。

要让伽马光子达到100万电子伏特,直线电子加速器只需要把电子加速到2.45亿电子伏特左右,而这个能量段是国内加速器可以实现的。

过去50年,对撞机在基础物理领域特别是在验证、完善粒子物理的标准模型方面取得了丰硕成果。例如,2012年欧洲大型强子对撞机实验发现希格斯玻色子粒子,这是2013年诺贝尔物理学奖的实验基础;2008年的诺贝尔物理学奖获得者关于对称性破缺的重要工作,也是基于对撞机的实验验证。

此次,在以“伽马光子对撞机和前沿科学”为主题的香山科学会议上,科学家分享了中国伽马光子对撞机的设计构思:在直线电子加速器的末端,引出两条管道,两束电子束分别经过两套聚焦磁铁,与两束激光束相互作用,生成两束伽马光束,并在对撞区中心对撞点发生对撞。

——焦点三:中国的对撞机发展如何?

在粒子物理前沿研究的驱动下,人类建造了各种类型的对撞机,比方说,在不同能区的正负电子对撞机、质子—质子对撞机、质子—电子对撞机、强子对撞机等。

从字面上解析,对撞机就是让某种东西在其中对撞的机器。但“大咖”们近日争论的对撞机对撞的可不是一般的东西,而是高能物理领域被加速到接近光速的带电微小粒子。

低能区伽马光子对撞后,科学家通过观察和测量从能量到物质的转化,可以直接验证爱因斯坦著名的质能方程E=mc2。中能区的伽马光子对撞很有可能成为“希格斯工厂”,帮助科学家发现希格斯粒子更多的物理性质。高能伽马光子对撞将为人类直接寻找较大质量、超出标准模型的物理粒子提供可能。

“对撞机是人类探索微观物质世界的‘超强显微镜’。科学家要研究的粒子愈微小,选用的对撞机体积就要愈庞大、粒子加速的能级也越高。现代大型加速器的周长可达数十千米,造价在几十亿到几百亿美元不等。”在国内外大型对撞机工作多年的上海应用物理研究所所长赵振堂说。

就像武侠小说里传授功力一样,要让伽马光子拥有足够的“功力”,电子必须是能量很高的“武林高手”才行。

北京正负电子对撞机重大改造工程于2004年1月动工,耗资6.4亿元,于2009年5月成功通过验收,性能比改造前提高了30多倍,继续保持了我国在国际高能物理研究上的优势。“在中国工业基础薄弱的条件下,我们选择了自主研发各类关键技术设备,最终使得改造工程对撞机部件的国产化率达到85%。”朱宏博说。

上世纪80年代早期,科学家首次提出了建造伽马光子对撞机的设想——将两束激光射向两束高速运动的电子,激光里的光子在触碰到电子的瞬间会被“推撞”,在此过程中,电子把能量传给光子,光子获得能量后变身为伽马光子,并拥有足够的能量,最后再让两束伽马光子对头碰撞。

据介绍,欧洲核子研究中心的大型强子对撞机是世界上最大的粒子加速器,它位于日内瓦附近、瑞士和法国交界地区地下100米深处的环形隧道内,隧道环的周长为27千米。

这些粒子之所以能对撞,是因为人类给它们加了速,而之所以能加速,是因为它们带电。目前,加速器的加速原理是用磁场“拽”着带电粒子跑,于是,不带电荷的光子便逃过了磁场和人类的掌控。

中国科学院物理研究所研究员曹则贤介绍,虽然对撞机的种类各有不同,但对撞机中用于碰撞的两束粒子一般会选择一对正反粒子,如电子与正电子或者质子与反质子。

怎么让它们撞上

其中,正负电子对撞机可将希格斯粒子的测量精度提高至1%左右,这就可以确认希格斯粒子的性质,判断希格斯粒子是否与标准模型预言完全一致。正负电子对撞机还有望首次测量希格斯粒子的自耦合,确定希格斯场参与的真空相变的形式,这对宇宙的早期演化具有重要意义。

如果能够实现高能量的伽马光子对撞,中科院上海应用物理研究所研究员马余刚说,“在核物理方面,就能够开展核结构、核天体物理、核光子学等研究;在强子物理中,就能够开展核力、核形成引子、核子激发态等研究;此外,还可以开展伽马射线成像、航天探测器定标、新一代反应堆设计等研究”。

当然,对撞机并不是科学“大咖”们的专利品,它对社会经济民生以及人类科技发展也有巨大的推进作用。“比如从加速器技术发展出质子治癌技术,提高癌症治愈率。从加速器技术衍生出的散裂中子源、同步辐射光源等为材料、生物研究提供先进技术手段等;从对撞机实验发展出的诸多精密探测器技术也在国土安全、航空航天、工业探测、医疗成像等领域得到广泛应用。”朱宏博说。

还记得《哈利波特与火焰杯》里哈利和伏地魔的对决吗?他们各自掏出魔杖,同步念出咒语,接着,魔杖射出的光对撞,曾死于伏地魔魔杖下的灵魂们一一闪现。

据介绍,早在20世纪50年代,欧洲、美国和苏联的科学家提出了各自建造对撞机的计划。1962年,世界上第一台对撞机在意大利弗拉斯卡蒂实验室建成。次年,美国和苏联也分别建成了正负电子对撞机。在这以后,对撞机随粒子物理的发展需求,如雨后春笋出现在世界各大高能物理实验室。

伽马光子能撞出啥

继引力波、量子通信之后,又一个“高冷”的物理名词成了新晋“网红”--对撞机,因为科学“大咖”们最近在争论中国现在要不要建大型对撞机“这种超大超贵的机器”。

在近日举行的香山科学会议第631次学术讨论会上,科学家提出了在中国建造世界上第一台伽马光子对撞机的想法。

当光撞上光会发生什么
科学家希望造对撞机研究这一问题

2011年,未来加速器国际委员会和超强激光国际委员会合作了,这两个组织一个专注于高能加速器的研制,一个专注于强激光的发展。在科学家们看来,两个机构的“联姻”为高能伽马光子对撞机的研制带来了新动能。

“低能、中级能段、高能的伽马光子对撞可以带来不同的新物理现象。”中科院高能物理所研究员张昊说。

《中国科学报》 (2018-09-05 第1版 要闻)

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