美國粒子物理學界希望建造世界上第一台渺子對撞機

2022年08月10日12:03

  渺子(muon,又稱μ子)是一種帶有一個單位負電荷、自旋為1/2的基本粒子,與電子同屬於輕子。以往研究發現,渺子的質量大約是電子質量的206~207倍。由於渺子性質與電子相似,我們可以將其想像成一個靜止質量“加重版”的電子。近年來,一些研究者提出了建造渺子加速器的設想,希望通過這種粒子的碰撞,發現其他新的粒子。

  似乎越來越多人支援在美國建造一台這樣的粒子對撞機。儘管渺子壽命較短的特性——平均壽命為2.2微秒——使這種對撞機在技術上很難實現,但與其他競爭性的對撞機設計相比,這種對撞機更小,而且可能成本更低。當然,這一願景還十分遙遠,最早也要到21世紀40年代才能實現,但提出該設想的科學家表示,研發工作需要立即開始。

  美國伊利諾斯州費米國家實驗室的粒子物理學家卡莉·迪佩特里羅(Karri Di Petrillo)表示,這是一個“大膽而有前途的願景”。世界各地的物理學家都在考慮建造這種對撞機的可行性,但如果能在美國建成,“對我們這一代物理學家而言將意味著一場變革”。

  在不久前的斯諾馬斯(Snowmass)高能物理會議期間,一些物理學家表達了對渺子對撞機的支援。斯諾馬斯是美國粒子物理學界的一項重大活動,每七到十年舉行一次,主要內容是提出未來幾十年的科學遠景並製定規劃。今年斯諾馬斯活動的尾聲,是7月17日至26日於華盛頓州西雅圖舉行的一場研討會。會議結束之後,組織者將數千名科學家的觀點提煉成一份報告,描述該領域的主要問題以及解決這些問題所需的方法,這將最終影響美國聯邦政府的資助。在報告的“能源前沿”部分中,幾乎有三分之一的內容是關於渺子對撞機的。

  希格斯粒子工廠

  在建造渺子對撞機之前,一項重要的對撞機建造計劃正在進行當中,這就是所謂的“希格斯粒子工廠”(Higgs factory)。歐洲、中國和日本都參與了這項計劃,正在競相建造大型對撞機,以研究基本粒子希格斯玻色子的精確細節。希格斯玻色子(俗稱“上帝粒子”)與賦予粒子質量的場有關,於1964年在理論上被預言,2012年由歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)的實驗加以確認。然而,LHC並沒有如許多物理學家所期望的那樣,發現其他新的粒子。有人認為,這可能超越了LHC的實驗能力。

  希格斯粒子工廠將把電子與其對應的反物質(正電子)放在一起,以接近光速的速度碰撞。這種碰撞比LHC中的質子-質子碰撞更“純粹”,可以進行更精確的研究。相比之下,渺子對撞機將是一台“探索”機器,試圖通過前所未有的能量碰撞來發現新的粒子,並闡明先前實驗結果中出現差異的原因。

  在加速時,渺子可以達到比電子更高的能量,因為它們在同步輻射時損失的能量更少。相比質子間的碰撞,渺子的碰撞還有一個很大的優勢。質子的碰撞包括了組成粒子的夸克之間的碰撞,而每個夸克只攜帶整體碰撞能量的一小部分。由於渺子是基本粒子,因此其每次碰撞都涉及到粒子的全部能量。這意味著,一個工作能量為10萬億電子伏特(TeV)、長約10公里的渺子對撞機,可以產生與100萬億TeV、90公里長的質子對撞機能量相同的粒子。後者正是歐洲核子研究中心希望在本世紀下半葉建造的對撞機規模。

  渺子對撞機的概念早在20世紀60年代就出現了,但直到最近幾年,物理學家才開發出了可行的技術,用於處理渺子的多種怪異現象,包括容易衰變、容易產生背景噪聲、難以誘導形成強粒子束等。明尼蘇達大學的物理學家普里西拉•庫什曼(Priscilla Cushman)表示,美國物理學家們現在之所以如此興奮,是因為還有足夠的時間來開發和建造這台對撞機,以在未來接替希格斯粒子工廠,而且有很多人正致力於這項事業。

  費米實驗室的粒子物理學家、斯諾馬斯領導小組負責人喬爾·巴特勒(Joel Butler)表示,渺子對撞機是否會在美國建造,取決於資金、政治以及技術上的可行性。歐洲核子研究中心也在組織一項國際合作,研究渺子對撞機的可行性。他指出,對於所有擺在桌面上的對撞機選項,美國的物理學家們必須進行足夠的研究和開發,“以便在必要的時候,能夠以一種良好的方式做出選擇”。

  斯坦福大學的粒子物理學家卡特琳娜·韋爾涅里(Caterina Vernieri)表示,人們對渺子對撞機的熱情,與對成本和可持續性的日益關注是一致的。她所在的團隊提出了成本更低的希格斯粒子工廠設計,稱為“冷銅對撞機”(Cool Copper Collider,簡稱C3),是在斯諾馬斯中最近提出來的一個方案。

  暗物質

  未來的多種對撞機只是斯諾馬斯遠景規劃的一小部分。在美國物理學界的近期計劃中,他們將致力於從2026年開始對LHC進行高強度升級,這將產生10倍於之前的數據。他們還重申了在美國推進深層地下中微子實驗DUNE的願景。這是一項雄心勃勃的國際合作實驗,旨在研究中微子的性質。DUNE安裝有世界最強的中微子源和中微子探測器,二者橫跨兩地,相距約1300公里。此外,還有研究者認為,應該先批準“宇宙微波背景4階段實驗”(CMB-S4)計劃,對宇宙微波背景輻射展開新的勘測。

  科學家們還提出了一個跨學科的呼籲,希望通過廣泛的已有設施來尋找暗物質。在過去的十年里,無論是設計用來尋找暗物質的大型探測器,還是大型強子對撞機,都未能發現暗物質的一種候選粒子——弱相互作用大質量粒子(WIMPs)。很顯然,暗物質比物理學家以往想像的更加奇異。

  奧地利格拉茨大學的暗物質物理學家庫爾卡尼(Suchita Kulkarni)參加了斯諾馬斯會議,他表示,物理學家希望尋找更輕的暗物質候選粒子,並在重新設計相關研究的過程中,更多地將暗物質視為一個整體,而不是單個粒子的存在。斯坦福大學的物理學家邁卡·布克(Micah Buuck)指出,尋找暗物質不僅需要一些高靈敏度的大型實驗(比如那些正在尋找WIMPs的實驗),也更多小規模的試驗性實驗。

  政府層面的資助建議

  來自世界各地的物理學家在長達兩年的斯諾馬斯活動期間提交了521篇論文,對此領導小組成員庫什曼表示,這雖然“令人疲憊,但又很令人興奮”。

  關鍵時刻將在明年到來,屆時美國聯邦政府的粒子物理優先排序小組(簡稱P5)將利用斯諾馬斯的結論——以及預算方面的考慮——向美國能源部和國家科學基金會等資助機構提交未來十年的資助建議。

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