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『返朴』如何建造更小却更强大的对撞机？


现有的大型对撞机加速的粒子往往是质子和电子 。 事实上 ， 相比于质子和电子对撞机 ， μ子对撞机可以达到更高的能量尺度 ， 却只需更小的设备和更低的成本 。 那么 ， μ子对撞机能否带我们进入更深层的粒子世界呢？
刘航 /文
“巨大的对撞机正在揭开宇宙的秘密 。 ”1990年4月16日 ， 《时代》杂志的封面故事讨论了巨型粒子加速器 ， 包括德克萨斯州的超导超级对撞机 ， 然而它最终因造价过高被迫半途而废 。
但是欧洲核子研究中心（CERN）的研究人员没有放弃 ， 从1998年到2008年 ， 他们在瑞士日内瓦附近已有的正负电子对撞机隧道中建造了周长27公里的大型强子对撞机（LHC） 。 如今 ， 大型强子对撞机和其他加速器已经为许多重大发现做出了贡献 ， 从新夸克的发现 ， 到第三代轻子的观测 ， 再到希格斯玻色子的确认 ， 粒子物理的每个重大进展都离不开加速器 。
『返朴』如何建造更小却更强大的对撞机？
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【『返朴』如何建造更小却更强大的对撞机？】
2012年 ， LHC的实验中确认了希格斯玻色子的存在 ， 标志着粒子物理学标准模型的巨大成功 。 | 图片来源：CMS/ATLAS/CERN
现有的大型对撞机带领我们窥探了宇宙深层的美妙图景 。 然而 ， 仍然有很多未解之谜等待着我们去探索：希格斯玻色子与标准模型的预言是否一致？超出标准模型的新物理是否存在？是否存在额外维度？宇宙中物质与反物质的不对称性要如何解释？暗物质和暗能量之谜如何才能揭开？
科学家期望在更高能的对撞机中探索世界的本质 ， 但这些“巨型对撞机”却是如此昂贵 ， 为此 ， 科学家绞尽脑汁地试图寻找创新方法 ， 以减少未来对撞机的花费 。 其中一种有效的方法就是建造μ子对撞机 。 就在最近 ， μ子电离冷却实验合作组（MICE）在《自然》杂志上报告了新的实验结果 ， 这使科学家距离实现μ子对撞机又近了一步 。
1、μ子对撞机的优势
在对撞机中 ， 两束粒子流不断积累并加速 ， 最终达到一定的束流强度和能量 ， 当它们在相向运动的状态下发生对撞——“轰！”——物质的深层结构将展现在我们眼前 。 传统对撞机中被加速的粒子可以是正负电子 、质子或反质子 ， 也可以是相对论重离子 。
μ子与电子一样 ， 都是粒子物理学标准模型中的一种基本粒子 ， 它们同属于轻子 ， 都带有一个单位负电荷 ， 但μ子的质量是电子的207倍 。 这一特性对所建造的对撞机的大小 ， 进而对成本具有重要影响 ， 也决定了对撞机中粒子碰撞可达到的能量量级 ， 以及对撞机能够做出怎样的发现 。 这些正是μ子对撞机相较于传统对撞机的优势所在 。
『返朴』如何建造更小却更强大的对撞机？
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标准模型中的基本粒子 ， 其中μ子与电子（e）同属于轻子 。 | 图片来源：Daniel Dominguez/CERN
对撞机的目的是使粒子加速达到更高的能量 ， 并以尽可能大的能量彼此碰撞 。 然而 ， 当粒子的轨迹在环形加速器的磁场中弯曲时 ， 它们实际上会通过辐射损失能量 。 相比于电子这样的轻粒子 ， 质子和μ子这样的重粒子在这个过程中损失的能量要少得多 。 因此 ， 目前可以达到最高能量的环形对撞机（如LHC）加速的便是质子 。
然而我们知道 ， 质子并不是基本粒子 ， 而是由真正的基本粒子夸克组成的 。 当这些束缚态的夸克发生碰撞时 ， 只有大约六分之一到十分之一的质子碰撞能量可用于产生其他粒子 。 相比之下 ， 由于μ子是基本粒子 ， 它们碰撞产生的所有能量都可用于生成新粒子 。
μ子加速器作为粒子对撞机的一个用途是建造 “希格斯工厂” 。 希格斯工厂是一种非常理想的设备 ， 它能够产生大量的希格斯玻色子 ， 并且能够精确测定这些粒子的特性 。 如果基于传统的线性加速器 ， 利用正负电子碰撞来建造希格斯工厂 ， 其长度需达10至20公里 。 而若是基于环形μ子对撞机 ， 其周长仅需0.3公里 。


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