【物理科學】物理學家計畫建造更大的大型強子對撞機

■ 新的加速環將長達100公里,運轉時的能量是現在大型強子對撞機的七倍。

編譯│張孝耘

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大型強子對撞機升級後的發現將可告訴我們如何設計下個加速器。 (安娜‧潘特利亞/CERN)

歐洲的大型強子對撞機(Large Hadron Collider,以下簡稱LHC)在2008年首度啟動時,粒子物理學家們絕對想不到有朝一日可以要台更大的,不過當這座造價50億美金的機器在2012年兌現了發現希格斯玻色子 (Higgs boson)的諾言後,物理學家們便興致勃勃地開始構思著如何設計它的繼承者:非常大型強子對撞機(the Very Large Hadron Collider,以下簡稱VLHC )。

「我們應該要試著勾勒出未來數十年的景象,」麥可‧派斯金(Michael Peskin)說。派斯金是美國加州孟羅公園國家加速器實驗室(SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park)的理論物理學家,他於11月2日向美國政府的一個諮詢委員會提出了建造VLHC的想法。

這個龐然大物將使得它所有的前輩都相形見絀(請參考下圖加速環之王)。在這個新的對撞機中質子將以100兆伏特(teraelectronvolts=1012伏特,簡稱TeV)的能量對撞,相較之下歐洲核物理研究中心(CERN,位於瑞士日內瓦的粒子物理實驗室)的LHC升級後只有14兆伏特;此外它需要80至100公里的隧道也比目前LHC 的27公里圓周大上許多。在過去十年左右,由於全球各地研究經費短缺,所以未能進一步發展這個構想,但是在今年暑假美國明尼蘇達州明尼納普勒斯(Minneapolis, Minnesota)的斯諾瑪斯(Snowmass)會議中,數百位粒子物理學家齊聚一堂為這個領域長遠的未來構思著他們的夢想機器時,VLHC在諸多想法中脫穎而出受到最大的歡迎。

部分物理學家提醒大家VLHC只是全球粒子物理計畫的一小部分,其他還有很多重要的事項包括:LHC的升級,從二月起暫停兩年以便將其能量從7兆伏特提高到14兆伏特;另外還有在日本建造國際直線對撞機(International Linear Collider) 的計畫,這種直線對撞機是把電子束與正電子束加速對撞,可以用來和LHC質子對撞後的發現互相補充;以及美國一個利用伊利諾州巴達維亞(Batavia, Illinois)費米國家加速器實驗室(Fermi National Accelerator Laboratory )來產生高強度微中子束的重要計畫。此次斯諾瑪斯會議的召集人芝加哥大學的粒子物理學家強納森‧羅斯納(Jonathan Rosner)表示,這些即將展開的計畫才應該是未來研究的重點,「現在聚焦在VLHC還太早。」

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加速環之王。物理學家們在討論的質子對撞機所產生的能量將使得之前的對撞機相形見絀。

就某方面來說,對VLHC的關注象徵了粒子物理學家開始溯本追源,藉著增加更大的能量以找出建構大自然根本基石的初衷。

然而,他們必須要能夠解釋為什麼需要一個更大的加速器的理由。希格斯粒子(Higgs particle) 的發現可用來支持有些粒子因為和瀰漫宇宙中像糖漿一樣的希格斯場 (Higgs field)發生交互作用而得到質量的現象,但是這個發現有很多層面仍然不清楚,包括為什麼希格斯粒子質量這麼大的原因。其中有一個解釋的方法就是用超對稱理論(supersymmetry theory),該理論主張已知粒子會和一些較重的粒子耦合,而這個現象也許可在更大的粒子對撞機中觀察到。雖然目前LHC還未偵測到任何超對稱的跡象,但派斯金希望也許十年內可以得到一些線索來做為設計下個更大的對撞機的依據。

紐澤西州普林斯頓高等研究院(Institute for Advanced Study)的理論物理學家尼瑪‧阿卡尼-哈默德(Nima Arkani-Hamed)也是主張建造更大對撞機的科學家之一,他將於12月協助在北京創辦未來高能物理中心(the Center for Future High Energy Physics)。他表示這個機構有一個很明確的任務就是探索出可利用未來質子對撞機去研究的物理現象。美國麻省理工學院的加速器物理學家威廉‧巴樂塔(William Barletta)表示,這個任務困難之處是要找到加速器最佳的尺寸,以便能善用每一分錢並把科學研究發揮到極致,「我們不會只是隨便做個結論而已。」

巴樂特並補充說明若要建造一座100兆伏特的機器,物理學家需要發展出可以在高於目前14特士拉(tesla)的磁場下運作的超導磁體 (superconducting magnets),也許要提高到20特士拉才行。用來製作此類磁鐵的首選材料之一是鈮錫合金(niobium tin),它可以承受較高的磁場,但是價格高昂且必須降溫至絕對溫度十八度以下。

CERN的加速器專家麥可‧班奈迪克(Michael Benedikt)正在主持一個「非常高能大型強子對撞機」(very high energy large hadron collider)的研究,他們計劃建造的對撞機將橫越日內瓦湖(Lake Geneva)的下方並且和VLHC類似,具有一樣的關鍵參數,也就是80至100公里的圓周,以及100兆伏特的碰撞能量(collision energy)。班奈迪克建議如果能在2020年後左右動工的話,那麼在2035年LHC永遠關閉後的不久就可以開始啟用。「沒有人希望高能物理研究出現太大的空檔,」他說,而且現在要估算費用還太早。但其他的物理學家推測下個世代的對撞機大概要低於100億,才能合乎政治上的可行性(politically plausible )。

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 研究出處:Physicists plan to build a bigger LHC

責任編輯:Vita Chen

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