发现希格斯玻色子之后:大强子对撞机未来二十年要做什么?──《到世界顶尖实验室CERN 上粒子物理课》

 我不会算命,对长期预测也不特别有天份,但就跟大多数的粒子物理学家一样,我预期未来十到二十年间将会有快速甚至革命性的发展。过去的历史显示了,每一次加速器增加其可及能量,就会发生惊人的进展。

发现了希格斯玻色子之后,最受期待的发现是什么呢?

照目前的情况来看,尽管大强子对撞机第一期是在低于原先规画的能量下运转的(8 TeV),但那段时期所取得的数据(第一阶段运转[Run I ])还是极为成功的,它让我们发现了希格斯玻色子。随着2015年以更高能量(13 TeV)和更高强度重新启动,我们更可以对此满怀希望。那么在未来几年,最受期待的发现是什么呢?

大强子对撞机重要的构件之一「紧致渺子螺管侦测器」。图中加速器离子管束通到四个大强子对撞机侦测器的心脏。资料来源:欧洲核子研究组织

2015 年12 月的年底会议上,紧致缈子螺管侦测器和超导环场探测器实验组都报告他们发现了几个事件,这些事件可能揭露出一种新型玻色子的存在,它的质量大约在750 GeV,即希格斯玻色子质量的六倍。由于以更高能量重启大强子对撞机有它困难的地方,超导环场探测器和紧致缈子螺管侦测器在2015 年13 TeV 所收集到的数据量就比在2012 年8 TeV 时累积的数据量少了五到七倍。

因此,当实验物理学家们发表这些结果时,他们非常小心:数据样本小,总是容易出现统计波动。但是几十年来一直渴望出现新物理之迹象的理论物理学家们马上就行动了。他们在一个月内便(包括年底的假期)发表了170 篇理论学术论文,意思就是对于这个尚未被发现的新粒子,理论物理学家们已经有170 种不同的解释。

只有时间能证明这一切的兴奋是不是理所当然的,但这个现象清楚地说明了物理学家有多么希望,在未来的几年之中能够有重大的发现。会不会像希格斯玻色子一样?它在2012 年7 月被正式发现之前一年,其实就已经出现一些微弱的迹象。在这本书出版之前(2016 年2 月),我们并没有足够的数据可以证明「新型玻色子存不存在」。这就好像我们在多雾的日子朝远处看望,试着猜测火车是不是来了。只有时间能够证明出现在地平线上、几乎看不见、模糊不清的形状是期待已久的火车,还是只是幻觉。2016 夏天这个问题应该会得到澄清,届时将有更多的数据,我将会在我的网站上发布最新的进展(编按︰这个新粒子目前(2018)已被证明只是统计波动)。[1]

大强子对撞机未来二十年要做什么?

2013 至2014 年第一次长期技术停机期间大强子对撞机进行了强化计画,这是参与该计画之技术团队成员的一部分。这张照片是在他们完成加速器的第1695 个部分后拍摄的。这一主要工作计画使得大强子对撞机在2015 年达到了13 TeV 的能量,也就几乎是2012 年可及之运转能量8 TeV 的两倍。资料来源:欧洲核子研究组织。

在第一阶段的运转期(以第一阶段运转[Run I]表示),紧致缈子螺管侦测器和超导环场探测器实验都在7 TeV和8 TeV处收集到了25个逆飞邦(inverse femtobarn,或以fb -1表示)的数据,逆飞邦是用来测量数据量的单位,这相当于约2500兆笔事件。在第一次长时间的技术停机后(即长期停机1[Long Shutdown 1]),大强子对撞机于2015年以较高能量重新启动,开始了第二阶段的数据采集(第二阶段运转[Run II])。

2015年12月之前,超导环场探测器和紧致缈子螺管侦测器只在13 TeV收集到了几个逆飞邦的数据,第二阶段运转将持续到2018年年底,并且应该会产生四倍于第一阶段运转的数据,即100 fb -1 。大强子对撞机在未来二十年当中,会采用运转期和保养期轮流交替的营运策略。数据量预计会在2021年至2023年的第三阶段运转期间达到三倍,即300 。最终,2037年左右第四阶段运转结束时,数据量将达到3000 fb -1,届时将有足够的数据来满足每个人。

为什么不让加速器连续运转并最大化事件收集的数量呢?目前的想法是让加速器以最大负载量运转大约三年,然后停机大约两年,停机期间可以增加机械的功率,并进行所有无可避免的保养工作。以这样的方式,各个实验也可以善加利用中断的时间来更换或修复任何受损的子侦测器,并在需要时安装改良过的子侦测器。

每个停机期间也为实验物理学家提供了一个机会,来完成上一次数据采集期间所有数据的分析,并为下一个阶段作准备。例如,在每次新阶段开始运转之前,有必要制作出对应于新运转条件的大量模拟事件。这些事件对于决定各种分析的选择标准则是无可或缺的。

2013 至2014 年第一次技术停机不仅进行了大规模维修,同时也执行了一个庞大的强化计画(参见下图)。这使得大强子对撞机能够达到其额定的(nominal)能量和光度(luminosity),也就是最初规画的粒子束强度。光度测量的是射束当中每平方公分每秒的质子数。射束愈密集,发生对撞的可能性愈大。

2013 至2014 年所做的大强子对撞机强化工作的细节。资料来源:欧洲核子研究组织。

自2010 年至2012 年,大强子对撞机是以其额定光度的约75%、以较低的能量运转的,也就是8 TeV,而不是预计的14 TeV。这个功率上的缩减是必要的,为的是避免另一个意外事故发生。2008 年,大强子对撞机启动后十天发生了一个事故,这对加速器造成相当大的损害,并使加速器停止运转超过一年。第一次长期的技术停机因此主要用于改善超导磁铁之间的相互连接(2008 年事故发生的起因),并使得加速器在2015 年能够以13 TeV 的能量运转。另外在未来数年也规画了两次长期的技术停机,以增加加速器的功率并产生更多数据。

国际科研合作与大强子对撞机的中长期未来

在过去数年之中,参与粒子物理学研究的国家,在做法上有了根本的改变。每个人现在都意识到,没有一个国家能够独自负担得起今日所需之高度发展的精密工具,也就是侦测器和加速器。国际合作因此成为常态,如此才能整合这类超大型计画所需的人力、技术和经济资源。欧洲核子研究组织于是在国际社会中扮演了一个更为核心的角色,并持续邀请新国家加入他的行列。

粒子物理已成为国际合作的象征,几个关于新加速器的研究计画已在进行当中,预计将在2037 年左右大强子对撞机退役时启动。尽管最终的意向尚未确定下来,但所有国家都同意在国际合作的框架下展开工作。

紧致线性对撞机(linear compact collider,简称CLIC)是欧洲核子研究组织目前正在研究的一个计画,可能是大强子对撞机停后的后续计画。得益于其低能量但高强度的主粒子束,紧致线性对撞机可能可以产生高能的电子-正电子对撞。资料来源:欧洲核子研究组织。

那么,对于这些侦测器和加速器,我们所能期待的最惊人的发现是什么呢?一个能够揭露超越标准模型的「新物理」其性质的新粒子吗?理论假设(例如超对称)的证实?还是暗物质粒子的发现?还是一个完全意想不到的惊喜?如果这些全部都发生会很棒,无论可以揭露什么,无论是我们预测的或是超出预期的,就如同过去每当加速器的能量跃升时,我们都证明了,在这个当下,新发现发生的机会极大。

未来的前景非常令人兴奋,科学界间的气氛也很狂热,因为我们即将开创新的局面,这一点激励著成千上万今日投身于粒子物理学界的物理学家们。很快的,人类对这个世界有多一点点的认识,并可以笑着入睡。

注解:

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