科学家呼吁全球合作迎接粒子物理学新挑战
时间:2017-12-07

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  2013年是粒子物理学的分水岭。希格斯玻色子几十年的探索基本已经完成。希格斯粒子预测诺贝尔奖获得的热潮没有退去,粒子物理学对此深感满意。现在是时候停下来考虑一下粒子物理应该如何进化。

  希格斯玻色子是粒子物理标准模型中的最后一个难题,但该模型并没有解释宇宙的一些基本方面。从中微子质量到暗物质和暗能量,在这个地区还有更多的发现。但是下一个线索潜伏在哪里呢?

  这是不确定的。你所知道的是下一代粒子加速器将是昂贵的,在全球科学研究预算下,政府支持的资金需求正在增加。 Nigel Lockyer将很快成为美国伊利诺伊州Bamvia的费米国家加速器实验的主任,在那里他一直在讨论过去六个月中粒子物理的未来。洛克耶认为,粒子物理学是全球探索的领域。许多国家已经承诺这个项目和他们的参与者。美国在中微子物理等领域处于领先地位,但世界大局并不明朗。相关资源需要整合,新的竞争对手正在兴起。中国,印度的人才,基础设施和目标必须考虑到全球形势。

  每个国家和重大项目都要考虑其影响。洛克耶说,机遇是巨大的:进步可以加速,并结合不同的优势;但风险同样高:或许一个重大项目无法达成协议,失去国际合作伙伴。

  除了希格斯

  位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室的大型强子对撞机(LHC)是迄今为止世界上能力最强的加速器。经过两年的升级,当它在2015年初再次启动时,机器将运行在14 teV(teraVev)的设计能量附近,大约是希格斯粒子能级的两倍。现在标准模型已经完成,任何新粒子的发现都将彻底改变科学家对物理学的看法。

  此外,还计划在20年代升级LHC,以提供更有活力的电子束和更高效的探测器。

  其他尖端科学也有望进一步发展。科学家们仍然不明白中微子如何相互作用,质量的起源,还是他们在早期宇宙中的作用。费米实验室正在提议建立一个长距离的中子束实验,从费米实验室延伸到南达科他州的霍尔姆斯塔德(Holmstad)。此外,地表以下1500米处将安装3.5万吨液氩探测器。这个试验的总建设预算近10亿美元,这就要求它寻求国际合作者,美国能源部科学办公室表示,如果欧亚研究小组参与其中,美国能源部科学办公室表示将支持该提案。

  日本是实验最强的竞争对手。日本希望通过国际直线对撞机(ILC)来研究希格斯玻色子,并计划在20年代后期以精确度超越LHC。大多数粒子物理学家都支持ILC,但是许多粒子物理学家首先想要了解升级后的LHC将会发现什么。

  通过接力棒

  科学家们不确定下一个重大发现的能量范围是什么,许多物理学家认为他们应该尽力把目标设定得高一些。有人甚至认为应该建立更高能量的轻子碰撞,比如压缩线性碰撞器(欧洲与欧洲ILC竞争的欧洲高能碰撞器)等等。欧洲正在成立一个小组,设计一个预计在20世纪30年代开始的100公里长的质子质子对撞机,

  在美国在20世纪90年代未能提供超导超大型加速器和2011年在费米实验室内提供数万亿电子伏特加速器之后,美国仍然雄心勃勃地主办一个高能量尖端机器项目。也许高能量场将被送回美国,毕竟,费米实验室仍然是质子加速器的世界领先者。

  洛克耶说,中国的角色转变也更加悬念,去年,中国在粒子物理学史上逐渐走向世界舞台,在中微子物理方面取得了令人瞩目的成就,包括发现了两种三类中微子在一起高于预期这种大的混合程度意味着在长基线实验中可以观察到中微子和反中微子之间基本对称的差异,告诉人们早期宇宙中物质和反物质之间的不平衡。大胆的想法,中国是否有可能通过建立100TeV的设备来引领世界?尽管中国需要设计和建设,但在中国建设的成本却很低。

  洛克耶认为,如果中国能够真正领先,这将改变科学地图的面貌。讨论全球粒子物理的进展需要来自中国,印度,北美,欧洲和日本的国家元首的参与。

  洛克耶指出,物理学家不关心在哪里学习。但粒子物理学项目的庞大规模意味着所有新的巨型加速器都需要全球规划,协调和参与建设。政府将不得不在其他国家进行前所未有的金融投资,并挑战纳税人“主要为直接短期国内收益而支付的传统模式”。

  政府将试图找出最适合其国家利益的模式。很少有人谈论人才的引进和流失,更多的人正在讨论人才的流通。国家和知识群体通过参与全球对话实现自身发展,不再声称最有才华。

  科学界必须确保日本筑波的高能加速器研究组织(简称KEK)等主要区域实验室的健康运行,目前只有在这些地区大规模的粒子物理学项目是可行的。中国等其他新兴经济体主办其他项目的需求将挑战现在这个国家的长远计划。美国和欧洲的科学家必须了解如何最好地利用国际竞争激发自己的项目努力,同时保持良好的国际合作。

  总之,粒子物理领域的领导者在界定和维护全球计划时需要更响亮和积极。毕竟,国际粒子物理设施有助于让人类了解宇宙如何运作。洛克耶说。 (张冬)

  “中国科学”(2014-01-08第3版国际)