一场科学“对撞”背后的物理

原创正恩原理

这是最好的时代，也是最坏的时代。
——狄更斯

最近，关于中国该不该建大型对撞机引起了一番争论。用中国科学院大学的吴宝俊老师的一段话概括这次争论：“对于建对撞机，王孟源写了反对文章，没有得到王贻芳的回复，却得到了丘成桐的回复，丘成桐的文章没有得到王孟源的回复，却得到了杨振宁的回复，杨振宁的文章没有得到丘成桐的回复，却得到了王贻芳的回复，王贻芳的文章没有得到杨振宁的回复，却得到了王孟源的回复。”

此处应该有一张“目睹了整个事件的吃瓜群众”的配图。

为什么要建粒子加速器？

宇宙的5%是可以直接被观测的，这些都可以用粒子物理学的标准模型很好的描述。但是剩下的那95%呢？

大型强子对撞机中（LHC）发现的希格斯玻色子是粒子物理学的里程碑，它是标准模型的最后一块拼图。但是，希格斯玻色子的发现却仅仅是一个开始。因为还有许多的问题用标准模型是无法解答的。宇宙中不可见的物质要比物质多吗？暗物质是由什么构成的？在宇宙大爆炸后反物质发生了什么？宇宙中是否有额外的维度，如果有，要如何去探索？为了得到答案，以及更加的了解我们的宇宙，科学家建造了强大的粒子加速器进行实验。加速器中的能量越高，我们的视野就越宽广，因此才有可能解开自然界中遗留给我们的种种难题。我们想要发现新物理，或者找到超越标准模型的新粒子。这样才能继续推进基础物理的发展。

那么，为什么要做基础研究？所有科学家的共同目标只有一个：增进人类对宇宙的了解。虽然很多时候这样的研究并不能对所有人的生活都立即产生影响，但从长远的角度来看，我想追求基础研究是非常必要的。（关于这个问题，我们在《理论物理学如何改变世界》一文中稍微探讨过。）

加速器，它们粉碎原子，不是么？

三种不同的粒子加速器：同步加速器，回旋加速器和直线加速器。（© Sandbox Studio）

粒子加速器，从名字上就可以猜出，它的作用是将一束粒子加速至接近光的速度，使粒子束的能量不断地增高，最后，要么是两束加速的粒子相互对撞，要么是用一束加速粒子去撞击一个原子靶（如上图）。粒子相互撞击后会产生许多不同的粒子，有一些为不稳定、质量较大的粒子。问题是用轻粒子怎么可以撞击出质量较大的粒子？这便是爱因斯坦的魔法。根据E=mc²，当粒子的能量越高的时候，质量也越大。因此我们需要加速轻的粒子，以获取更大的能量，当它们对撞的时候，我们希望看到一些特别的信号，因为这很可能暗示着新的粒子。

下面我们介绍三种不同的加速器（当然，不止三种）。

▶ 同步加速器 SYNCHROTRON

同步加速器。（© Sandbox Studio）

同步加速器是世界上拥有最高能量的粒子加速器。而欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）则是同步加速器琅琊榜的榜首。LHC可以把往相反方向的两束粒子在对撞之前加速到能量为6.5万亿电子伏特。

从上图可以看出，同步加速器是一种环形的粒子加速器。粒子一旦进入了加速器，它们就会一遍又一遍的在环形轨道内加速运行。图中右下有射频腔（Radiofrequency cavities），每当一束粒子通过射频腔的电场时，在射频腔内的无线电波就会传输一部分的能量给这束粒子，使粒子束加速继续前行。

加速器内有几种不同作用的磁铁。例如，双极磁铁，它的目的是使粒子束在加速器内弯曲。粒子的能量越大，就需要越大的磁场才能弯曲粒子束。四极磁铁，就像是透镜一样，用来聚焦粒子束，使粒子束聚集在一起。撞击点的位置被探测器包围者，不同的探测器用来探测不同的粒子。（在《这个是电子，那个是光子......》中我们介绍了这些粒子探测器。）

在LHC中，粒子会在20分钟内绕行1400万次，以达到所需要的能量等级。当两束粒子相遇时，发生对撞的粒子相对是比较少的。没有发生对撞的粒子会继续绕着加速器运行，因此随着时间的流逝，发生对撞的次数也就越来越多，科学家也就有机会观测到一些罕见的现象。在去年，在LHC的两个探测器ATLAS和CMS发生的对撞率为每秒4亿次！这也是为什么这样的设计非常有用。

同步加速器的强大使它们成为探索宇宙基本成分的最佳工具。例如，物理学家在LHC见证了希格斯玻色子的证据，这也正是因为LHC能够加速粒子到如此高的能量，以及产生如此高的对撞率。

LHC主要是用质子来进行对撞，但也可以用重的原子核进行加速对撞，比如铅。其它的同步加速器都设计来加速不同类型的粒子。比如位于纽约的布鲁克黑文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）可以加速从质子到铀原子核的任何粒子。RHIC可以通过对撞铀或金离子等来制造夸克-胶子浆——存在于宇宙大爆炸后的极短时间内。

▶ 回旋加速器 CYCLOTRONS

回旋加速器。（© Sandbox Studio）

同步加速器是另一种环形加速器的晚辈，称为回旋加速器。粒子在回旋加速器的中心开始，不断地回旋向外加速，直到撞击一个原子靶。

像同步加速器，回旋加速器利用一块巨大的电磁铁来弯曲粒子。但是，他们只用一块磁铁，因此也限制了加速器本身的大小。世界上最大的回旋加速器位于加拿大的TRIUMF实验室。TRIUMF回旋加速器通常可以加速粒子至5.2亿电子伏特。

回旋加速器的基本构成是两个处于磁场中的半圆D型盒和D型盒之间的交变电场：

带电粒子在电场的作用下进入磁场，由于受到洛伦兹力而进行均匀圆周运动，每运动到两个D型盒之间的电场时在电场力作用下加速，之后再次进入磁场进行匀速圆周运动。在磁场中回旋半径与速度成正比，因此加速器利用金属电极使粒子往更大的回旋半径运行获得越来越大的速度。带电粒子的质量随速度的增加而增加，因此带电粒子的回旋周期并非是恒定的。

回旋加速器通常用来产生大量的特定粒子类型，比如μ介子和中子。他们也通常用于医疗研究，因为它们的能量范围和强度刚好适合产生医用同位素。

▶ 直线加速器 LINACS

直线加速器。（© Sandbox Studio）

有一些物理实验要求稳定和强粒子束，那么直线加速器就是最好的设计选择。SLAC国家加速器实验室拥有世界上最长的直线加速器，长度为2英里，可以加速粒子至500亿电子伏特。

环形加速器需要粒子环绕许多次才能够加速到需要的能量，而直线加速器则可以更加迅速的加速粒子。粒子开始于低能量的一端，加速器内的电磁场则沿着它的长度不断地加速粒子。当粒子沿曲线传播时，它们会以辐射的形式释放能量。而直线传播就意味着它们会自己保存着能量。SLAC的直线加速器有一系列的射频腔使粒子能够不断的加速。

跟回旋加速器一样，直线加速器也可以用来产生医用同位素。它们可以用来产生一束束的放射物来治疗癌症。用于癌症治疗的电子直线加速器是最常见的粒子加速器类型。

中、日、欧之间的竞争

在中国提议建造对撞机之前，日本早已提议由该国建造国际直线对撞机（ILC）。ILC将使正负电子沿着31千米长的轨道进行对撞。

ILC选用的是基本粒子——电子，能够提供更加干净且更适于精确测量的对撞（LHC使用的质子是复合粒子，对撞后会产生大量碎片）。ILC的主要目标是为了寻找偏离标准模型之外的新物理学，而对于物理学家来说，能够研究希格斯玻色子和顶夸克就是建造ILC最充足的理由了。但是日本的文部科学省（MEXT）认为该理由不充分，因此要不要建造日本决定等到2018年LHC首次以最大能量运行后再做决定。

而中国计划的是在本世纪30年代建造环形正负电子对撞机（CHEP），其科学目标是精确测量希格斯玻色子的性质以及搜索标准模型背后更基本的物理规律。它是一个长达50~100千米的正负电子击碎器，其能量低于ILC。但它需要建立一条可以进行质子-质子对撞的通道，跟LHC类似，但要大得多，而且大大降低建造成本。

而CERN的计划是建造周长为80-100千米的环形对撞机，作为LHC的继任者，称为未来环形对撞机（FCC）。FCC的目标是探索宇宙中未知的95%：什么是暗物质？是否存在超对称粒子？我们要怎么解决所谓的等级问题？是否存在其它的基本相互作用？

需要知道的是，这三者之间的项目都会互相影响。假如中国决定建造对撞机，势必导致资助ILC和FCC的国际资金流失，那么对其余两个计划都会有负面影响。

为什么美国没有加入这场竞争？因为美国选择了在中微子研究而非对撞机上下赌注。在已知所有粒子中，只有中微子违反了标准模型。根据标准模型，中微子是没有质量的，而实验观测结果显示中微子具有非常微小的质量。因此没有理由不在这个方向更加的努力一些，或许我们能够从这个缺口中发现新物理的蛛丝马迹。

建造对撞机的目的是为了寻找超越标准模型的新物理，而中、日、欧的这三个项目无论是哪个也无法保证自己能够发现新物理。但并不意味着建造更大的对撞机就一定会是徒劳无功，或许他们将敲响一个新时代的来临。但毕竟这中间要牵扯的事情太多，无法仅仅从科学的角度去评说到底要不要建。

未来，仅从科学的角度看，不管是建造大型的对撞机，还是像杨振宁教授提议的寻找新加速器原理，和寻找美妙的几何结构，都需要有人跟随着自己信念去追求。因为在新物理出现之前，没有人可以足够自信地认为自己是绝对正确的。

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