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环形正负电子对撞机:指向上帝粒子背后未知前沿的望远镜
文章来源: 高能所  |  发布时间:2016-09-14  |  【打印】 【关闭】  |  浏览:
 

  近日来,杨振宁先生、丘成桐先生和王贻芳所长等人就中国是否建造大型对撞机进行了一系列的辩论。本文通俗地介绍了环形正负电子对撞机(CEPC)的科学目标。 

  粒子物理是一门古老而又年轻的学科。它负责回答人类最古老、最深刻的两个问题,即,世界是由什么组成的,以及,它们的运行规则是什么。上至古希腊的四元素说和中国的五行理论,人类一直在试图回答这个问题。   

  借助于不断进步的技术手段,人类对这两个问题的理解也在不断加深。人们不断发现原有理论的缺陷,在修正和革新中一步步完善对自然的认识。知识和技术总是互为表里的,每次认知的巨大进步,都蕴含当时无法想象的技术突破;对自然真理海洋的不断探索,总是给人类带来巨大的惊喜和力量。 

  在今天的物理学中,基本粒子被分为物质粒子和媒介粒子两大类。物质粒子是物质的基本组元;而媒介粒子,则通过传递不同的相互作用改变物质粒子的状态 运动和变化。相互作用决定了宇宙和星系的结构,生命的产生和演化,微观世界的面貌。时至今日,人们认识到自然界中有四种基本的相互作用力,即引力、电磁力、弱力和强力我们生活中所见的所有现象均可由上述相互作用描述。     

  引力是人们最先认识到的力;从牛顿到爱因斯坦,人类不仅预言了天体的运行,预言了海王星的存在,还预言到了遥远星光的偏折、黑洞以及引力波的存在。 

  电磁力支撑了我们文明的基础;我们身体的感觉也是通过电磁力来实现的。 

  弱力使得中子不再稳定,它推动着核电站的运转,也导致了壮观的超新星爆发。 

  强力维持了原子核的稳定存在、使得太阳和恒星熊熊燃烧,也使得人类有望几乎永久性地解决能源问题。 

  我们对自然界的知识被总结为粒子物理的标准模型(Standard Model。标准模型通过优美的规范相互作用统一描述了电磁力、弱力和强力。标准模型是一个极为成功的理论,它精确地描述了粒子物理实验室中观测到的几乎所有实验现象。2012年,随着“上帝粒子”- Higgs粒子在日内瓦LHC实验上的发现,标准模型预言的所有粒子均被发现。 

  在粒子物理实验室之外,标准模型无法解释一系列极为重要、极为基本的自然之谜,比如暗物质、暗能量、真空能、宇宙暴涨及演化、宇宙中物质的正反不对称性等一系列和宇宙演化相关的基本问题。另一方面,标准模型很难被认为是一个终极理论,它导致了一系列的理论疑难。比如,标准模型中的顶夸克和电子在质量上相差30多万倍,而在标准模型看来,这两者的质量起源是完全一致的 这是很难让人信服的。在标准模型的面纱下,必然隐藏着大自然更深邃、更优美的奥秘。 

  Higgs粒子是我们进一步理解自然的关键Higgs粒子不仅是标准模型中最终被确认存在的粒子,它也是其中最神秘、最让人着迷的粒子。Higgs粒子同标准模型中的绝大部分理论疑难直接相关。Higgs粒子定义了两种全新的相互作用,并决定了所有粒子的质量: 

  Yukawa相互作用:决定物质粒子的质量。 

  Higgs机制:决定了媒介粒子的质量。Higgs粒子本身可被视作一种特殊的媒介粒子,它自身也通过Higgs机制获得质量。 

  质量是粒子最基础的属性之一,同时也极大地决定了世界的面貌。比如,Yukawa相互作用决定了电子的质量,因此也决定了原子的大小。同时,这种相互作用导致中子比质子略微重一点 大约千分之一 这微小的质量差导致中子的不稳定性,而质子则是绝对稳定的(中子会在大约8分钟的时间内,通过弱力衰变为质子,电子和一个中微子)。假如反过来 - 质子比中子重,那么质子就无法稳定存在,自然界中将无法形成稳定的原子核,我们熟悉的整个世界也将不复存在。在这个意义上,Higgs粒子参与的这两种相互作用可能比其他相互作用更为基础 事实上,Higgs机制决定了媒介粒子的质量,因此,它决定了相互作用的力程,并影响了相互作用的强度。 

  粒子和相互作用的性质对宇宙形貌演化的影响是极为深远的,它们的任何一点微小改动,都可能会导致宇宙中无法演化出和我们类似的生命,甚至会导致宇宙本身的不稳定性,乃至决定宇宙最终的宿命也许,人类在宇宙中存在这一事实本身就是一种极端的巧合。我们希望物理学的研究,能够最终帮助人们回答“我们为什么存在”这一问题。 

  如果把物理研究比作在未知大洋上的探索,那么新近发现的Higgs粒子则指向迷雾笼罩的、神秘莫测的全新的未知。Higgs粒子之于21世纪的粒子物理,恰似19世纪末笼罩在经典物理大厦上的两朵乌云,蕴含着无限的可能19世纪末的两朵乌云最终孕育了相对论和量子力学)。在这个意义上,Higgs粒子的发现并不意味着标准模型的终结和完善,它意味着人类对物质世界的探索进入了崭新的一页。 

   

  1CEPC探测器上记录到的一个Higgs事例(计算机模拟) 

  实验是我们探索未知的航船和望远镜。在粒子物理的对撞机实验中,我们可以借助航船进行远航 提高对撞能量来搜索新现象、新粒子;也可以通过望远镜远眺 - 在较低的对撞能量下进行精细测量,进而揭示高能区的物理规律。由中国高能物理学界倡议的CEPC项目,就是这样的一台望远镜:CEPC可实现对Higgs粒子的绝对测量,其测量精度较之于LHC可提高一个量级乃至更高(在耦合常数的测量精度上达到百分之一乃至千分之一量级)。形象地说,Higgs粒子的研究上,CEPC是比LHC能看的远10倍的望远镜。 

  看的远10倍意味着什么?在真正拥有这个望远镜之前,我们是无法准确预期的。这取决于在望远镜的量程范围内,大自然放置了怎样的风景。探索的意义也恰恰在于这种无法预测性。当然,这并不意味着我们全无线索:一般而言,尺度(能标)每变化一个量级,都意味着出现全新的物理现象乃至物理规律。从星系、恒星,到人类,到细胞、病毒,到纳米世界,到微观粒子,无不如此。因此,在比Higgs粒子质量的能量高一到两个量级的能区,应该存在着我们尚未了解的新现象。而CEPC,将借助其前所未有的精确度,为我们揭示这些新现象的蛛丝马迹。另一方面,如前文所述,标准模型无法解释和宇宙演化相关的一系列基本问题。对Higgs粒子的探索,极有可能为这些重大问题提供关键性线索,乃至最终解释上述谜团。 

  比如,借助研究Higgs粒子,我们有可能揭示暗物质的本质。目前的研究告诉我们宇宙中大部分的物质以暗物质的形式存在;暗物质粒子不参与标准模型中的电、弱、强相互作用,因此我们无法直接观测到它们;但假如暗物质粒子的质量来源也是Higgs粒子 或者仅假设暗物质粒子同Higgs粒子有相互作用,那么我们可以通过Higgs粒子这一窗口去观测、研究暗物质粒子(这类模型被称为Higgs门户模型)。在更加浪漫的想象中,暗物质世界可能是存在于我们同一时空的一个平行世界;它按照自己的规律运行演化,甚至有可能演化出绚烂的生命和文明;而暗物质世界,和我们的世界,原则上可以通过Higgs粒子进行沟通。 

   

  2CEPC 探测器的剖面图(计算机模拟)    

  粒子物理承着人类对世界本源永恒的好奇心,而实验则是人探索未知的航船和望远镜。CEPC,是指向目前疑团凝聚的上帝粒子背后未知前沿的有力望远镜。我们期待它的探索将带给我们的全新知识,也期待着这些知识背后蕴藏的无限可能。 

  作者 阮曼奇(中国科学院高能物理研究所百人计划副研究员)    

 

 
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