對撞機，究竟是個什么機

文 陳繕真（中國科學院高能所特聘青年研究員）

19世紀末，從倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，約瑟夫·約翰·湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，盧瑟福發(fā)現(xiàn)α射線和β射線等實驗起，物理學家們開始專注于微觀世界的物理現(xiàn)象。特別是20世紀20年代量子力學建立之后，物理學家們逐漸意識到，在微觀尺度上，存在著一個跟宏觀世界很不一樣的世界，它的尺度如此之小，所以科學家們不得不借助一些特殊的實驗儀器來觀測其中的現(xiàn)象。

因何而生

早期對于微觀世界的研究，通常是對天然的放射性物質(zhì)或宇宙線進行觀測。那時的科學家，會將微觀尺度的現(xiàn)象放大至宏觀可見的尺度，然后再進行觀測——科學家們會使用能在一些射線中曝光的照片底片，或者使入射粒子在過飽和蒸氣中形成一連串的電離原子作為凝結(jié)核，進而在粒子軌跡上形成一連串霧氣的“云室”等來觀測微觀粒子造成的現(xiàn)象，并通過分析這些微觀粒子所留下徑跡的結(jié)構(gòu)和形狀來推測粒子的性質(zhì)。

在20世紀30年代前后，一個更加強大的粒子物理研究工具出現(xiàn)了——勞倫斯發(fā)明了回旋粒子加速器。它的基本結(jié)構(gòu)是兩個半圓D形盒，以及D形盒之間的交流電場，兩個半圓D形盒上施加有可以使帶電粒子偏轉(zhuǎn)的磁場。在加速器的中心處放置有一個粒子源，其發(fā)射出的帶電粒子受到電場的作用可以被加速，在進入半圓D形盒的磁場中時，則被磁場所偏轉(zhuǎn)反向，并再次進入D形盒之間的交流電場。若時間調(diào)整合適，此時交流電場的方向正好可以翻轉(zhuǎn)，帶電粒子則再一次被加速。如此往復很多次，帶電粒子就會被加速至帶有較高的能量，其能量與方向均可被控制，可以極大地提高對微觀粒子的研究能力。

回旋粒子加速器使得人類能夠可控地獲得帶有較高能量的微觀帶電粒子，進而更準確地研究這些粒子的性質(zhì)。然而由于相對論效應(yīng)，高能量粒子的回旋周期會隨能量的增高而發(fā)生改變。于是科學家們將回旋粒子加速器的均勻磁場，以及電場變化頻率也做了調(diào)整，使之能夠最大限度地讓帶電粒子獲得能量。這種電場及磁場可控的粒子加速器叫作同步加速器。同時改變電場和磁場，也使得帶電粒子在加速的時候不必須經(jīng)歷一個連續(xù)變化的半徑，因此，同步加速器可以被做成環(huán)形。

由于量子效應(yīng)的存在，想要研究更精細的粒子結(jié)構(gòu)，就必須獲得更高的能量。加速器可以讓粒子物理學家們獲得前所未有的可控高能量，于是粒子物理學的主要研究方式就變成了利用高能粒子加速器進行研究。因此，粒子物理學現(xiàn)在也被稱為“高能物理學”。

早期的加速器主要用來加速帶電粒子并轟擊原子靶，進而對轟擊產(chǎn)物進行統(tǒng)計分析。隨著粒子物理實驗的進展，粒子物理的理論也得到了蓬勃的發(fā)展。一些能量更高的粒子被預言，而想要產(chǎn)生這些粒子，需要建設(shè)更高能量的實驗設(shè)備。并且，利用被加速的粒子束來轟擊固定靶的實驗形式會將絕大多數(shù)的能量浪費在轟擊產(chǎn)物的動能上，于是，實驗物理學家們開發(fā)了一種能夠大大節(jié)約能量的辦法，那就是加速兩束運動方向相反的粒子，以極為精細的操作控制粒子的位置，讓它們在極小的空間內(nèi)對撞。利用這種辦法，可以使粒子的動能最大化地被利用，而這就是目前粒子物理學研究最重要的研究設(shè)備——對撞機。

有什么用

作為粒子物理學最重要研究設(shè)施的對撞機，能夠直接決定粒子物理學大多數(shù)研究方向的發(fā)展水平。而粒子物理學的研究，則會直接面對物質(zhì)最基本的組成成分，以及物質(zhì)間的最基本的相互作用這樣的研究對象，進而探索質(zhì)量起源、宇宙演化、暗物質(zhì)等最深刻、最神秘的課題。對物質(zhì)的最基本的成分和相互作用的探索不僅僅可以滿足人類的好奇心，也會為未來幾十甚至上百年后的應(yīng)用儲備知識。

在一個科學技術(shù)健康發(fā)展的社會，基礎(chǔ)科學的研究水平應(yīng)該是超越當前的時代的。也只有如此，能夠影響人類生活的技術(shù)才能在有科學理論指導的情況下發(fā)展。如果基礎(chǔ)科學研究停滯，那么在一段時間之后，技術(shù)的發(fā)展也會因為缺乏科學依據(jù)而難以進步。也正是因為這樣的邏輯，《三體》小說和電視劇才會有“三體人”利用干擾對撞機實驗來“鎖死”人類科技的情節(jié)。

然而，對撞機不僅僅能夠?qū)αＷ游锢韺W研究起到至關(guān)重要的作用。作為世界上最宏大與最先進的一類基礎(chǔ)研究設(shè)施，對撞機也經(jīng)常是最新、最大膽技術(shù)的試驗田。就比如，人類第一次大規(guī)模使用超導磁鐵就是在建設(shè)于美國芝加哥郊外的費米實驗室的萬億電子伏特加速器對撞機上。

再比如，萬維網(wǎng)的誕生，也與對撞機有密切的聯(lián)系。

雖然因特網(wǎng)在20世紀六七十年代就已誕生，但早期沒有網(wǎng)站，因此，因特網(wǎng)的使用是一個高度技術(shù)性和專業(yè)性的工作。20世紀80年代末，在位于歐洲核子研究中心的大型正負電子對撞機正式開機運行的前夕，歐洲核子研究中心的數(shù)據(jù)科學家蒂姆·伯納斯·李為了讓粒子物理學家們更高效地共享信息，設(shè)計了超文本傳輸協(xié)議（HTTP）。不久，歐洲核子研究中心的科學家們按照這個協(xié)議搭建了人類歷史上第一臺萬維網(wǎng)（WWW）服務(wù)器。從此，用戶登錄服務(wù)器上的網(wǎng)站，瀏覽網(wǎng)頁獲取信息成為可能。萬維網(wǎng)的出現(xiàn)徹底改變了人類信息交流的方式，使得“上網(wǎng)”這件事從高度技術(shù)性的專業(yè)工作變成了人人可以完成的輕松小事。

可見，對撞機這種由成千上萬不同組件構(gòu)成的、匯集了數(shù)千科學家與工程師的智慧才能建造而成的設(shè)施，其發(fā)展也能夠帶動許多不同應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。

未來什么樣

正如國內(nèi)的很多現(xiàn)代學科一樣，中國的粒子物理實驗發(fā)展的歷史比較短，道路也很曲折，但中國的高能物理學科發(fā)展得很快。

早在20世紀50年代，中國的物理學家就曾在蘇聯(lián)科學家的幫助下設(shè)想過在中國建設(shè)自己的粒子加速器。然而直到改革開放初期，中國的粒子加速器的最終建設(shè)方案才得以成形。1981年12月22日，鄧小平親自聽取了中國科學院關(guān)于建造22億電子伏特正負電子對撞機建議報告會，并在會上批示：“這項工程進行到這個程度不宜中斷，他們所提方案比較切實可行，我贊成加以批準，不再猶豫?！?984年10月7日，北京正負電子對撞機正式破土動工。1988年的10月18日，北京正負電子對撞機成功實現(xiàn)了首次對撞。至此，北京正負電子對撞機開始了它30多年的科研生涯，在北京正負電子對撞機上運行的北京譜儀實驗也成為第一個由我國主導的國際合作科學實驗。

如今，在經(jīng)過了幾次重大升級改造之后，北京正負電子對撞機仍在運行中，并且已經(jīng)是τ-粲能區(qū)物理領(lǐng)域全球最重要的研究設(shè)備。它也使得中國能在世界粒子物理研究的舞臺上占據(jù)一席之地，也啟發(fā)了不少科幻作品——電視劇《三體》中關(guān)于對撞機的部分，就是在北京正負電子對撞機的加速器隧道內(nèi)取景拍攝的。

那么，未來對撞機會如何發(fā)展？中國又有哪些機會？其實，對撞機物理一直在穩(wěn)定發(fā)展中。2012年，在歐洲的大型強子對撞機上，科學家們發(fā)現(xiàn)了一種可以給其他基本粒子賦予質(zhì)量的粒子，這種粒子被稱為“希格斯粒子”，因為這種粒子與質(zhì)量的特殊關(guān)系，它也常被媒體稱為“上帝粒子”。希格斯粒子不僅僅和物質(zhì)質(zhì)量的起源有關(guān)系，早期宇宙演化的過程、暗物質(zhì)等待探索的領(lǐng)域也與希格斯粒子息息相關(guān)。因此，未來對希格斯粒子的精確研究是國際粒子物理學界的共識。

在發(fā)現(xiàn)這種粒子的同時，科學家們也對它的質(zhì)量進行了測量，并得出了最高效地產(chǎn)生這種粒子的方式，那就是以特定的能量進行正負電子對撞，能夠通過這種形式大量產(chǎn)生希格斯粒子的對撞機被稱為“希格斯工廠”。

有了這一信息，全球粒子物理研究主要強國紛紛提出了各自未來的“希格斯工廠”的方案。其中，2012年下半年，中國的科學家就率先提出了在中國建造環(huán)形正負電子對撞機方案，而歐洲科學家也緊隨其后，提出了歐洲版的環(huán)形正負電子對撞機方案。日本的粒子物理學家則調(diào)整了原有的直線對撞機運行方案的能量，使得日本的對撞機方案也能大量產(chǎn)生希格斯粒子。

最近幾年，在美、日、歐等國家和地區(qū)制定的粒子物理發(fā)展規(guī)劃中，希格斯粒子的研究無一例外地均居于核心地位。歐洲的粒子物理發(fā)展戰(zhàn)略認為，“希格斯工廠”是未來發(fā)展的最高優(yōu)先級；美國的粒子物理戰(zhàn)略討論報告指出，美國將參加有希望最早實現(xiàn)“希格斯工廠”對撞機的項目。而2016年中國物理學會高能物理分會的決議中，也明確寫明，我國提出的環(huán)形正負電子對撞機是我國未來高能加速器物理發(fā)展的首選項目。

與國際上其他幾個“希格斯工廠”方案相比，中國方案在時間線上、粒子產(chǎn)出效率以及造價上均有一定的優(yōu)勢，因此也被國際粒子物理學界廣泛視作未來旗艦型項目的主要選擇之一。由于下一代對撞機的強大能力，國際上普遍認為，最先實現(xiàn)的“希格斯工廠”對撞機，將會成為未來國際粒子物理研究的核心。

應(yīng)該說，如果中國能夠把握住建設(shè)“希格斯工廠”對撞機的機會，那么下一代的中國粒子物理學家就真的有機會站到國際粒子物理學研究舞臺的正中央。

（內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《光明日報》2023-02-09 16版。）