梅晓春发表取代王贻芳大型粒子对撞机的理论

梅晓春发表高能加速器新理论，取代王贻芳大型粒子对撞机原创物理研究 2020-01-07 10:30:00

最近，杨振宁先生与科学院高能物理研究所王贻芳院士关于中国要不要建造大型粒子对撞机（CEPC）的争论成为舆论场的热门话题。王贻芳认为， CEPC对于探索微观世界的基本运动规律，比如研究希格斯粒子的性质，以及发现新的粒子，比如超对称粒子，是至关重要的。同时可以使中国成为世界粒子物理研究的中心，使中国在加速器科学领域处于的领先地位。杨振宁先生则认为高能物理“盛宴已过” ，因为粒子物理学标准模型预言的粒子都已经全部找到。超出标准模型的粒子，比如超对称粒子等，存在的可能性很小。由于CEPC耗资巨大，需要一千多亿人民币，国家没有必要花这种代价做那种不切实际的项目。然而杨振宁先生另外一个重要的建议却被大家忽略，那就是“寻找新的加速器原理” 。这句话什么意思呢？现在的高能粒子同步回旋加速器有一个本质上的缺陷，被加速的粒子在其中运动时会产生强烈的电磁辐射，使粒子能量的增加受到严重的限制。电磁辐射的强度与粒子加速度的平方成正比，而加速度与加速器的半径有关。半径越大加速度越小，半径越小加速度越大。为了减小辐射损耗，就需要把加速器的半径做得很大。比如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC），半径是4.3公里，周长27公里。王贻芳计划的CEPC半径约16公里，周长100公里。要建造这样长的粒子真空运动管道，并用低温超导磁体包围，加上各种基础设施和控制系统，其花费就非常巨大。如果能够找到新的加速器理论，大大降低被加速粒子的辐射，就可以把同步回旋加速器的半径做得很小，建造费用大大减少的同时，也能把粒子加速到高能状态。事实上，对于中国要不要建造大型粒子对撞机的问题，这可能是最好的解决方案。可庆幸的是，福州原创物理研究所梅晓春所长和俞平博士，早在2012年就在加拿大《应用物理学研究》杂志上发表了一篇论文，题目是“带电粒子在电磁场中的相对论运动稳定性分析与建造无同步辐射损耗回旋加速器的可能性----绕核加速运动电子不辐射与导体内电阻热辐射的统一机制” 。这篇文章从一个崭新的角度阐明了被加速的带电粒子辐射的物理本质，为建造新一代低辐射损耗的高能同步回旋加速器奠定了理论基础，并给出一个具体的实施方案。按照经典电磁理论，带电粒子的辐射由加速度引起。该文首先指出，以下实验事实与经典理论并不完全一致，被加速的带电粒子辐射电磁波的物理机制需要重新考虑： 1. 带电粒子做直线加速运动时一般不辐射。比如在高压静电加速器和直线加速器中运动的粒子一般不辐射。事实上，拟议中的国际直线加速器（ILC）就是根据这个事实进行设计的。 2. 在感应加速器中做加速运动的电子不辐射（布鲁埃特实验），只有在同步回旋加速器中做加速运动的带电粒子才辐射。 3. 在一般交流电线路做直线加速运动的电子，和在直流电流线圈中做圆周加速运动的粒子不辐射（不包括热辐射）。比如低温超导实验中，电流在环形金属圈中稳定流动，也没有辐射电磁波。 4. 一般无线电天线必须满足某种条件限制时，才会辐射电磁波。如果加大天线长度，或把弯曲的天线拉直，在其中做振荡加速运动的电子就不再辐射。 5. 一个更为众所周知的事实是，原子中绕核做加速运动的电子是不辐射的，这个原子物理学的最基本事实至今无法得到合理解释。

关于第二点，在加速器的历史上有一个广为流传的故事。美国通用电器公司在纽约州申纳塔底（Schenectady）有一台能量为100MeV的电子感应加速器。 1944年物理学家布鲁埃特（J. Blewett）调试这台设备时，希望能发现电子的辐射。布鲁埃特用一个非常灵敏的探测器，探测波段从无线电超长波到超短波段。按经典电磁理论，感应加速器中电子的运动速度已经接近光速，辐射的功率应该是相当大的。然而布鲁埃特无论将探测器放在加速器的真空室内还是室外，始终未能探测到电磁波的幅射。就在同一实验室，波拉克于1947年建造了一台70MeV电子同步回旋加速器。由于该加速器的真空室是透光的，在调试过程中工人却无意中看到了透出的辐射光。这种被称为同步辐射光的频率是连续分布的，虽然主要在可见光波段，但从原则上说在无线电波段也应当存在辐射。为什么布鲁埃特当年在电子感应加速器上没有发现辐射呢？至今似乎没有人深究这个问题，虽然布鲁埃特的加速器的能量比波拉克的加速器的能量还高30MeV 。物理学家们只是解释说布鲁埃特探测器的探测频率太低，同步辐射的频率较高，布鲁埃特的探测器探测不到。然而电子感应加速器的加速原理与同步回旋加速器是不同的。在电子感应加速器中，除了磁场的作用外，沿着电子运动轨道的切线方向还同时存在由变化磁场导致的电场力的作用。而在同步回旋加速器中，在轨道转弯部分中运动的电子只受磁场力的作用，没有电场力的作用。在这两种情况下，电子受力的不同，是否会对其辐射产生影响呢？至今理论上没有人进行研究，也没有人做这种实验。布鲁埃特当年在电子感应加速器上寻找辐射时，实验室的其他工程师就告诉过他，电子在感应加速器中转动就如直流电做圆周运动，是不会有辐射的。当稳恒电流通过直线导体时，电阻会发热，甚至发红光，发出光子。然而导体中的自由电子做直线匀速运动，似乎不必考虑加速度，也不存在原子能级的越迁。在目前的物理学中，电阻热辐射的机理实际上也没有弄清楚。梅晓春和俞平的文章对带电粒子在电磁场中的相对论运动方程进行研究，指出在均匀磁场中，带电粒子的运动是稳定的，就不会辐射的。在静止的原子核力场中，电子的绕核运动是稳定的，也可以不辐射，由此解释了原子的稳定性。但如果存在某种扰动力，比如磁场不均匀等因素，使高速运动的电子偏离相对论运动轨道，电子的速度有可能变成虚数或超光速，使运动不可能发生的。在这种情况下，电子需要通过辐射来改变状态，使运动成为可能。