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在由科幻小說《三體》改編的同名電視劇中，對(duì)撞機(jī)可以說是最重要的道具了——正是因?yàn)椤叭w人”利用它們的高科技產(chǎn)物“智子”影響了地球上對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)，使得物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果變得無規(guī)律可循，才讓一部分科學(xué)家的信念崩塌，走上了自絕之路。
那么，作為真實(shí)存在的科研設(shè)備，對(duì)撞機(jī)究竟是什么？它又對(duì)人類有哪些作用呢？
環(huán)形對(duì)撞機(jī)概念圖。
圖源：中科院高能所
粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。
圖源：歐洲核子研究中心
對(duì)撞機(jī)因何而生？
研究微觀世界的大科學(xué)裝置
在19世紀(jì)末期之前，人類對(duì)于世界的運(yùn)行規(guī)律的認(rèn)知幾乎都只停留在宏觀物體和現(xiàn)象上。19世紀(jì)末，從倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，J.J.湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，盧瑟福發(fā)現(xiàn)α射線和β射線等實(shí)驗(yàn)起，物理學(xué)家們開始專注于微觀世界的物理現(xiàn)象。特別是20世紀(jì)20年代量子力學(xué)建立之后，物理學(xué)家們逐漸意識(shí)到，在微觀的尺度上，存在著一個(gè)跟宏觀世界很不一樣的世界，它的尺度如此之小，所以科學(xué)家們不得不借助一些特殊的實(shí)驗(yàn)儀器來觀測(cè)其中的現(xiàn)象。
早期對(duì)于微觀世界的研究，通常是對(duì)天然的放射性物質(zhì)或宇宙線進(jìn)行觀測(cè)。那時(shí)的科學(xué)家，會(huì)將微觀尺度的現(xiàn)象放大至宏觀可見的尺度，然后再進(jìn)行觀測(cè)——科學(xué)家們會(huì)使用能在一些射線中曝光的照片底片，或者使入射粒子在過飽和蒸氣中形成一連串的電離原子作為凝結(jié)核，進(jìn)而在粒子軌跡上形成一連串的霧氣的“云室”等來觀測(cè)微觀粒子造成的現(xiàn)象，并通過分析這些微觀粒子所留下的徑跡的結(jié)構(gòu)和形狀來推測(cè)粒子的性質(zhì)。
在20世紀(jì)30年代前后，一個(gè)更加強(qiáng)大的粒子物理的研究工具出現(xiàn)了——?jiǎng)趥愃拱l(fā)明了回旋粒子加速器。它的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)半圓D型盒，以及D型盒之間的交流電場(chǎng)，兩個(gè)半圓D型盒上則施加有可以使帶電粒子偏轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。在加速器的中心處放置有一個(gè)粒子源，其發(fā)射出的帶電粒子受到電場(chǎng)的作用可以被加速，在進(jìn)入半圓D型盒的磁場(chǎng)中時(shí)，則被磁場(chǎng)所偏轉(zhuǎn)反向，并再次進(jìn)入D型盒之間的交流電場(chǎng)。若時(shí)間調(diào)整合適，此時(shí)交流電場(chǎng)的方向正好可以翻轉(zhuǎn)，帶電粒子則再一次被加速。如此往復(fù)很多次，帶電粒子就會(huì)被加速至帶有較高的能量，其能量與方向均可被控制，可以極大地提高對(duì)微觀粒子的研究能力。
回旋粒子加速器使得人類能夠可控地獲得帶有較高能量的微觀帶電粒子，進(jìn)而可以更準(zhǔn)確地研究這些粒子的性質(zhì)。然而由于相對(duì)論效應(yīng)，高能量的粒子的回旋周期會(huì)隨能量的增高而發(fā)生改變。于是科學(xué)家們將回旋粒子加速器的均勻磁場(chǎng)以及電場(chǎng)變化頻率也做了調(diào)整，使之能夠最大程度地讓帶電粒子獲得能量。這種電場(chǎng)及磁場(chǎng)可控的粒子加速器叫做同步加速器。同時(shí)改變電場(chǎng)和磁場(chǎng)，也使得帶電粒子在加速的時(shí)候不必須經(jīng)歷一個(gè)連續(xù)變化的半徑，因此，同步加速器可以被做成環(huán)形。
由于量子效應(yīng)的存在，想要研究更精細(xì)的粒子的結(jié)構(gòu)，就必須獲得更高的能量。加速器可以讓粒子物理學(xué)家們獲得前所未有的可控的高能量，于是粒子物理學(xué)的主要研究方式就變成了利用高能粒子加速器進(jìn)行研究。因此，粒子物理學(xué)現(xiàn)在也被稱為高能物理學(xué)。
早期的加速器主要用來加速帶電粒子并轟擊原子靶，進(jìn)而對(duì)轟擊產(chǎn)物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。隨著粒子物理實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展，粒子物理的理論也得到了蓬勃的發(fā)展。一些能量更高的粒子被預(yù)言，而想要產(chǎn)生這些粒子，則需要建設(shè)更高能量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。并且，利用被加速的粒子束來轟擊固定靶的實(shí)驗(yàn)形式會(huì)將絕大多數(shù)的能量浪費(fèi)在轟擊產(chǎn)物的動(dòng)能上，于是，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們開發(fā)了一種能夠大大節(jié)約能量的辦法，那就是加速兩束運(yùn)動(dòng)方向相反的粒子，以極為精細(xì)的操作控制粒子們的位置，讓他們?cè)跇O小的空間內(nèi)對(duì)撞。利用這種辦法，可以使粒子的動(dòng)能最大化地被利用，而這，就是目前粒子物理學(xué)研究最重要的研究設(shè)備：對(duì)撞機(jī)。
國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)示意圖。
圖源：中科院高能所
對(duì)撞機(jī)有什么用？
科學(xué)發(fā)現(xiàn)的助推器，高技術(shù)應(yīng)用的試驗(yàn)田
作為粒子物理學(xué)最重要研究設(shè)施的對(duì)撞機(jī)，能夠直接決定粒子物理學(xué)大多數(shù)研究方向的發(fā)展水平。而粒子物理學(xué)的研究，則會(huì)直接面對(duì)物質(zhì)最基本的組成成分，以及物質(zhì)間的最基本的相互作用這樣的研究對(duì)象，進(jìn)而探索質(zhì)量起源、宇宙演化、暗物質(zhì)等最深刻、最神秘的課題。對(duì)物質(zhì)的最基本的成分和相互作用的探索不僅僅可以滿足人類的好奇心，也會(huì)為未來幾十甚至上百年后的應(yīng)用儲(chǔ)備知識(shí)。
在一個(gè)科學(xué)技術(shù)健康發(fā)展的社會(huì)，基礎(chǔ)科學(xué)的研究水平應(yīng)該是超越當(dāng)前的時(shí)代的。也只有如此，能夠影響人類生活的技術(shù)才能在有科學(xué)理論指導(dǎo)的情況下發(fā)展。如果基礎(chǔ)科學(xué)研究停滯，那么在一段時(shí)間之后，技術(shù)的發(fā)展也會(huì)因?yàn)槿狈茖W(xué)依據(jù)而難以進(jìn)步。也正是因?yàn)檫@樣的邏輯，《三體》小說和電視劇才會(huì)有“三體人”利用干擾對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)來“鎖死”人類科技的情節(jié)。
然而，對(duì)撞機(jī)不僅僅能夠?qū)αＷ游锢韺W(xué)研究起到至關(guān)重要的作用。作為世界上最宏大與最先進(jìn)的一類基礎(chǔ)研究設(shè)施，對(duì)撞機(jī)也經(jīng)常是最新、最大膽的技術(shù)的試驗(yàn)田。就比如，人類第一次大規(guī)模使用超導(dǎo)磁鐵就是在建設(shè)于美國(guó)芝加哥郊外的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron對(duì)撞機(jī)上。
再比如，萬維網(wǎng)的誕生，也與對(duì)撞機(jī)有密切的聯(lián)系。
雖然因特網(wǎng)在20世紀(jì)六七十年代就已誕生，但早期的因特網(wǎng)沒有網(wǎng)站，因此，因特網(wǎng)的使用是一個(gè)高度技術(shù)性和專業(yè)性的工作。20世紀(jì)80年代末，在位于歐洲核子研究中心的大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)正式開機(jī)運(yùn)行的前夕，歐洲核子研究中心的數(shù)據(jù)科學(xué)家蒂姆·伯納斯-李為了讓粒子物理學(xué)家們更高效地共享信息，設(shè)計(jì)了超文本傳輸協(xié)議（HTTP）。不久，歐洲核子研究中心的科學(xué)家們按照這個(gè)協(xié)議搭建了人類歷史上第一臺(tái)萬維網(wǎng)（WWW）服務(wù)器。從此，用戶登錄服務(wù)器上的網(wǎng)站，瀏覽網(wǎng)頁獲取信息成為可能。萬維網(wǎng)的出現(xiàn)徹底改變了人類信息交流的方式，使得“上網(wǎng)”這件事從高度技術(shù)性的專業(yè)工作變成了人人可以完成的輕松小事。
可見，對(duì)撞機(jī)這種由成千上萬不同組件構(gòu)成的、匯集了數(shù)千科學(xué)家與工程師的智慧才能建造而成的設(shè)施，其發(fā)展也能夠帶動(dòng)許多不同應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。
安裝在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上的北京譜儀Ⅲ。
圖源：中科院高能所提供
未來對(duì)撞機(jī)什么樣？
實(shí)現(xiàn)“希格斯工廠”對(duì)撞機(jī)
正如國(guó)內(nèi)的很多現(xiàn)代學(xué)科一樣，中國(guó)的粒子物理實(shí)驗(yàn)發(fā)展的歷史比較短，道路也很曲折，但中國(guó)的高能物理學(xué)科發(fā)展得很快。
早在20世紀(jì)50年代，中國(guó)的物理學(xué)家就曾在蘇聯(lián)科學(xué)家的幫助下設(shè)想過在中國(guó)建設(shè)自己的粒子加速器。然而直到改革開放初期，中國(guó)的粒子加速器的最終建設(shè)方案才得以成型。
1981年12月22日，鄧小平親自聽取了中國(guó)科學(xué)院關(guān)于建造22億電子伏特正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)建議報(bào)告會(huì)，并在會(huì)上批示：“這項(xiàng)工程進(jìn)行到這個(gè)程度不宜中斷，他們所提方案比較切實(shí)可行，我贊成加以批準(zhǔn)，不再猶豫。”1984年10月7日，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)正式破土動(dòng)工。1988年的10月18日，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了首次對(duì)撞。至此，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)開始了它三十多年的科研生涯，在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上運(yùn)行的北京譜儀實(shí)驗(yàn)也成為第一個(gè)由我國(guó)主導(dǎo)的國(guó)際合作科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
如今，在經(jīng)過了幾次重大升級(jí)改造之后，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)仍在運(yùn)行中，并且已經(jīng)是τ-粲能區(qū)物理領(lǐng)域全球最重要的研究設(shè)備。它也使得中國(guó)能在世界粒子物理研究的舞臺(tái)上占據(jù)一席之地，也啟發(fā)了不少科幻作品——電視劇《三體》中關(guān)于對(duì)撞機(jī)的部分，就是在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的加速器隧道內(nèi)取景拍攝的。
那么，未來對(duì)撞機(jī)會(huì)如何發(fā)展？中國(guó)又有哪些機(jī)會(huì)？
其實(shí)，對(duì)撞機(jī)物理一直在穩(wěn)定發(fā)展中。2023年，在歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種可以給其他基本粒子賦予質(zhì)量的粒子，這種粒子被稱為“希格斯粒子”，因?yàn)檫@種粒子與質(zhì)量的特殊關(guān)系，它也常被媒體稱為“上帝粒子”。希格斯粒子不僅僅和物質(zhì)質(zhì)量的起源有關(guān)系，早期宇宙演化的過程、暗物質(zhì)等待探索的領(lǐng)域也與希格斯粒子息息相關(guān)。因此，未來對(duì)希格斯粒子的精確研究是國(guó)際粒子物理學(xué)界的共識(shí)。
在發(fā)現(xiàn)這種粒子的同時(shí)，科學(xué)家們也對(duì)它的質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)量，并得出了最高效地產(chǎn)生這種粒子的方式，那就是以特定的能量進(jìn)行正負(fù)電子對(duì)撞，能夠通過這種形式大量產(chǎn)生希格斯粒子的對(duì)撞機(jī)被稱為“希格斯工廠”。
有了這一信息，全球粒子物理研究主要強(qiáng)國(guó)紛紛提出了各自未來的“希格斯工廠”的方案。其中，2023年下半年，中國(guó)的科學(xué)家就率先提出了在中國(guó)建造環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)方案，而歐洲科學(xué)家也緊隨其后，提出了歐洲版的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)方案。日本的粒子物理學(xué)家則調(diào)整了原有的直線對(duì)撞機(jī)運(yùn)行方案的能量，使得日本的對(duì)撞機(jī)方案也能大量產(chǎn)生希格斯粒子。
最近幾年，在歐美日等國(guó)家和地區(qū)制定的粒子物理發(fā)展規(guī)劃中，希格斯粒子的研究無一例外地均居于核心地位。歐洲的粒子物理發(fā)展戰(zhàn)略認(rèn)為，“希格斯工廠”是未來發(fā)展的最高優(yōu)先級(jí)；美國(guó)的粒子物理戰(zhàn)略討論報(bào)告指出，美國(guó)將參加有希望最早實(shí)現(xiàn)“希格斯工廠”對(duì)撞機(jī)的項(xiàng)目。而2023年中國(guó)物理學(xué)會(huì)高能物理分會(huì)的決議中，也明確寫明，我國(guó)提出的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)是我國(guó)未來高能加速器物理發(fā)展的首選項(xiàng)目。
與國(guó)際上其他幾個(gè)“希格斯工廠”方案相比，中國(guó)方案在時(shí)間線上、粒子產(chǎn)出效率以及造價(jià)上均有一定的優(yōu)勢(shì)，因此也被國(guó)際粒子物理學(xué)界廣泛視作未來旗艦型項(xiàng)目的主要選擇之一。由于下一代對(duì)撞機(jī)的強(qiáng)大能力，國(guó)際上普遍認(rèn)為，最先實(shí)現(xiàn)的“希格斯工廠”對(duì)撞機(jī)，將會(huì)成為未來國(guó)際粒子物理研究的核心。
應(yīng)該說，如果中國(guó)能夠把握住建設(shè)“希格斯工廠”對(duì)撞機(jī)的機(jī)會(huì)，那么下一代的中國(guó)粒子物理學(xué)家就真的有機(jī)會(huì)站到國(guó)際粒子物理學(xué)研究舞臺(tái)的正中央。
作者 | 陳繕真（中科院高能所特聘青年研究員）
來源 | 光明日?qǐng)?bào)
來源： 世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)
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