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中国的巨型对撞机要做什么物理?
文章来源: 王连涛  |  发布时间:2016-09-19  |  【打印】 【关闭】  |  浏览:
 

  中国的巨型对撞机计划提出建设环形正负电子对撞机,CEPC (Circular Electron Positron Collider)。 CEPC的首要物理目标是深入研究于2012年发现的希格斯粒子的性质,从而探索高能物理面临的重要问题。CEPC投入运行后,10年中可以产生大致一百万个希格斯粒子。与目前正在欧洲运行的大型强子对撞机LHC (Large Hadron Collider)相比,CEPC至少可以把对希格斯粒子的测量精度提高10倍。这个进展有重大的物理意义, 并且一举奠定中国在世界上高能物理中心的地位。

  LHC位于瑞士日内瓦近郊,有一个长达27公里的圆形隧道。图片来源:kotedre.deviantart.com 

  为什么我们要深入研究希格斯粒子呢?因为它是我们解决几个高能物理中关键问题的关键。而同时,它又是十分神秘的粒子,我们对它知之不多。有许多谜等着我们去揭开。

 
希格斯和质量的起源

  解释基本粒子的质量的来源是高能物理学的一个最重要的目标。我们知道希格斯赋予已知的所有基本粒子质量,然而,依据现有的理论,也就是所谓的标准模型,我们却无法计算或预言希格斯自己的质量。因此,我们也不能对其他的基本粒子的质量作出满意的解释,没有完成解决质量起源问题的关键一步。因为希格斯是问题的核心,无论最终的答案是什么,我们都会在希格斯粒子的性质当中得到启示。而这,正是CEPC所要精确测量的。 

  CMS探测器模拟在14TeV下的质子对撞,产生4种介子。线条代表其他粒子,蓝色则是释放出的能量。 

希格斯场在宇宙早期的演化
  希格斯场在宇宙大爆炸后的演化是宇宙早期的历史中重要的篇章。我们有很多理由相信,希格斯场从极早期宇宙到现在经历了很大的变化。这种变化可以看成是一种相变,就像我们平时见到的水到冰的变化一样,也是一种相变。这种早期宇宙当中的相变对宇宙的发展有重大的影响,还涉及到一系列相关的基本问题。比如,尽管我们知道正物质和反物质同时存在,但是我们宇宙当中正物质却比反物质多得多。这个现象很有可能和希格斯的相变有关。但是,我们目前对这个宇宙早期的相变是怎样发生的几乎一无所知。这个过程的主角是希格斯场,所以寻找答案的关键自然是对希格斯粒子的深入了解。LHC的数据不能为我们提供太多的线索。而CEPC对希格斯粒子的精确测量将是最终解决这些问题的征程上坚实的一步。

  这些都是高能物理当前面临的最重要的问题和最紧迫的问题,也是高能物理学的进一步发展必须解决的问题。如上所述,要回答这些问题,一个最重要的也是最可靠的窗口就是对希格斯粒子的性质作直接深入的测量。高能物理学界从理论上提出过不少可能的对这些问题的解决方案。超对称是其中的一种。但是没有实验的证据,这些都固然只是猜想。但是这些重要问题的存在是切实的,不是猜想。CEPC的物理目标不是寻找超对称,也不是去证实其它某一种猜想。CEPC的物理目标是寻找这些问题的真正的答案。最终的答案也许是我们猜想的一种,也许是我们根本没有想到的。但是只有CEPC这样的实验测量可以引导我们找到真正的答案。

  希格斯粒子还可能是我们窥见更广阔的未知世界的一个窗口。我们现在已知的大多数粒子都和它相关。推而广之,它也可能与更多的未知粒子有联系。这可能使我们在在包括暗物质在内的一系列重大问题中取的突破。虽然这不是CEPC的主要物理目标,但是却有可能给我们带来惊喜。 

  CEPC的一个可能的升级方案是在同一隧道中建设超级质子对撞机SppC(Super proton propton Collider),达到空前的高能量,可以是LHC的7倍左右。这将开创高能物理的又一个新天地。不过,这是更长期的计划。还需要更多的论证,其物理目标和最后的决策也会和CEPC的结果有重要的联系。

本文作者:王连涛 ,芝加哥大学物理系副教授

    

 

 
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