国际直线对撞机:光速撞击解开宇宙之谜

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/05/02 08:48:31


使粒子以接近光速的速度相撞,观测产生的基本粒子。如果发现新的基本粒子,就有可能解开宇宙诞生之谜。在日本虽然已经提出建设“终极加速器”的构想,但实现起来还面临着诸多课题。

日本的科学技术研发为解开宇宙诞生之谜开辟了道路——2015年,东京大学宇宙线研究所所长梶田隆章荣获了诺贝尔物理学奖。获奖理由是证明了未知的基本粒子“中微子”存在质量,推翻了长久以来的物理学基本定律。
从宇宙空间飞来的中微子不带电,与其他物质不发生反应。据说1秒钟约有1万亿个中微子穿过人体,但我们却感觉不到。因此观测起来非常困难,长期以来一直被当作是未知的基本粒子。基本粒子包括电子、质子和中子等,是构成物质的最小单位。
中微子有3种,在飞来的过程中会相互转变。这种现象叫作“中微子振荡”,在没有质量的情况下不可能发生。梶田利用岐阜县飞驒市的观测装置“Super-Kamiokande”,在全世界最先发现了中微子振荡现象。

但只是观测飞来的天然中微子,并不能够取得足够的研究成果。还需要使用“加速器”,高效率制备大量的基本粒子。

加速器是向电子、正电子等身边存在的基本粒子施加高能能量,以提高速度的装置。其用途十分广泛。显像管电视、电子显微镜都运用了加速器的原理。在癌症放疗中,为了精准杀灭癌细胞,必须使用加速器调节基本粒子的能量。最近还运用到了生物药品、燃料电池的开发之中。

制备中微子需要使基本粒子以接近光速的速度相互撞击。使用加速器开展研究的高能源加速器研究机构(KEK)教授、工学博士道园真一郎解释说:“基本粒子会通过剧烈的撞击、转弯,转变成能量。利用这些能量,会产生通常难以观测到的新基本粒子”。
产生的基本粒子不只是中微子。“还有在宇宙诞生之初曾大量存在,如今已经不复存在的基本粒子”(道园博士)。也就是说,通过提高加速器的性能,可以从理论上重现“宇宙膨胀”、“宇宙大爆炸”之后宇宙诞生伊始的形态,解开物质和时空诞生之谜。

而使基本粒子达到接近光速,需要巨大的能量和漫长的加速距离。

发现未知的基本粒子

欧洲核子研究组织(CERN)运营的“大型强子对撞机(LHC)”,是世界上性能最强的加速器。跨越瑞士与法国两国边境,在地下100m深处,有一条周长与山手线铁道基本相同,达到27km的环形隧道。在这里进行的实验中,人们发现了另一种未知基本粒子“希格斯玻色子”。预测希格斯玻色子存在的两位科学家,获得了2013年的诺贝尔奖。

但是,使用环形加速器时,基本粒子在转弯时会损失能量。质量大的基本粒子基本不损失能量,受到的影响较小。但是,要想详细调查在撞击中产生的基本粒子,需要在实验中使用电子等质量小的基本粒子。建设直线型的“国际直线对撞机(ILC)”的构想由此就应运而生。

ILC的构想是在地下100m处挖掘长31km的直线隧道,设置巨大的“加速管”贯穿整条隧道。加速管是设备的核心。

在实验之前,先向周长为3~7km的“阻尼环”中投入电子和正电子。使其在0.2秒内旋转1万~2万周,提高基本粒子的密度,加大撞击概率。之后,电子和正电子将进入采用超导技术的加速管。加速管的特点是使电阻降低到零,预防了能源损耗。

然后,使加速到接近光速的电子和正电子,在31km长的加速管的中央正面相撞。使用粒子探测器,观测新产生的基本粒子的电信号。

按照国际上达成的共识,ILC将在岩手县的北上山地建设。这是因为过去的经验表明,建设LHC必须借助日本企业的技术,各国都将日本视为加速器“领先国家”。

一个具有代表性的例子,是古河电气工业开发的超导电缆。为了调整基本粒子的轨道,提高撞击概率,必须借助在超导状态下产生的强磁场。这就需要使用高性能的电缆。该公司的董事常务小林敬一自豪地表示:“最大限度减少杂质的高纯铜的精炼技术、将高纯铜加工成品质均匀的电缆的技术,这些是其他公司模仿不了的”。

电缆先将6000根直径为6微米(微为100万分之1)的铜丝集成一束,再将36束合并为1条。正如古河电工日光伸铜工厂的厂长坪内宏和所说的那样,“这必须依靠‘工匠的手艺’才能实现”,为了保证电缆的特性统一,部分工序需要靠熟练的技术人员手工完成。

捕捉撞击后释放出的新基本粒子的“眼睛”,也少不了日本企业的技术。




浜松光电公司(Hamamatsu Photonics)开发出了在硅基板的表面,以100微米为间隔铺设传感器的高性能检测器。撞击产生的基本粒子在通过基板时,会与硅晶体结合,电离成正负粒子。其中,传感器会感测到叫作“空穴”的正基本粒子的运动。通过检测通过位置并进行分析,分辨生成的是哪种基本粒子。

1次撞击大约会新产生2万个基本粒子。为了锁定希望观测的基本粒子,把其他电信号作为噪声去除,必须要使用“构件缺损率在0.01%以下的先进生产技术”(浜松光电公司部门负责人山村和久)。在欧洲设备厂商接连放弃LHC的情况下,该公司用10年的时间,成功开发出了检测器。


通过削减成本实现构想

只要集中日本企业的这些尖端技术,马上就能开工建设ILC。推进ILC建设的国际机构,准备在本世纪20年代中期完成施工。但日本政府还没有正式同意落户。

阻碍拍板的原因,是估价高达1万亿日元以上的建设成本。作为落户的国家,日本必须承担最多的预算,政府因此迟迟下不定决心。

实现必然要压缩预算。在这种情况下,有的日本企业已经采取了行动。

提供表面处理等加工服务的野村镀金(大阪市西淀川区),拥有为基本粒子赋予加速能量的基础装置“超导加速空洞”的研磨技术。要想高效产生能量,需要使用高浓度的硫酸和氢氟酸,均匀研磨筒状的空洞内部,制成平滑的镜面。

仅有250名员工的野村镀金,正在开发无需成本高昂的硫酸和氢氟酸,只使用氢氧化钠进行研磨的技术。如果实现,不仅可以使1台要价几亿日元的现行装置便宜一半还多,还能减少研磨产生的损伤。该公司技术部的田口纯志强调说:“通过削减各个构件的成本,可以向ILC的实现迈进一步。”

加速器除了尖端科学,还广泛应用于医疗和机电产业。KEK的道园博士指出,“通过在日本建设ILC,技术革新可以影响很多领域”。“终极加速器”在揭示138亿年前的宇宙形态的同时,无疑也会展现出日本美好未来的“冰山一角”。(记者:林英树)
http://china.nikkeibp.com.cn/news/nano/76340-201512081556.html?ref=mobile

使粒子以接近光速的速度相撞,观测产生的基本粒子。如果发现新的基本粒子,就有可能解开宇宙诞生之谜。在日本虽然已经提出建设“终极加速器”的构想,但实现起来还面临着诸多课题。

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2015-12-18 09:59 上传


日本的科学技术研发为解开宇宙诞生之谜开辟了道路——2015年,东京大学宇宙线研究所所长梶田隆章荣获了诺贝尔物理学奖。获奖理由是证明了未知的基本粒子“中微子”存在质量,推翻了长久以来的物理学基本定律。
从宇宙空间飞来的中微子不带电,与其他物质不发生反应。据说1秒钟约有1万亿个中微子穿过人体,但我们却感觉不到。因此观测起来非常困难,长期以来一直被当作是未知的基本粒子。基本粒子包括电子、质子和中子等,是构成物质的最小单位。
中微子有3种,在飞来的过程中会相互转变。这种现象叫作“中微子振荡”,在没有质量的情况下不可能发生。梶田利用岐阜县飞驒市的观测装置“Super-Kamiokande”,在全世界最先发现了中微子振荡现象。

但只是观测飞来的天然中微子,并不能够取得足够的研究成果。还需要使用“加速器”,高效率制备大量的基本粒子。

加速器是向电子、正电子等身边存在的基本粒子施加高能能量,以提高速度的装置。其用途十分广泛。显像管电视、电子显微镜都运用了加速器的原理。在癌症放疗中,为了精准杀灭癌细胞,必须使用加速器调节基本粒子的能量。最近还运用到了生物药品、燃料电池的开发之中。

制备中微子需要使基本粒子以接近光速的速度相互撞击。使用加速器开展研究的高能源加速器研究机构(KEK)教授、工学博士道园真一郎解释说:“基本粒子会通过剧烈的撞击、转弯,转变成能量。利用这些能量,会产生通常难以观测到的新基本粒子”。
产生的基本粒子不只是中微子。“还有在宇宙诞生之初曾大量存在,如今已经不复存在的基本粒子”(道园博士)。也就是说,通过提高加速器的性能,可以从理论上重现“宇宙膨胀”、“宇宙大爆炸”之后宇宙诞生伊始的形态,解开物质和时空诞生之谜。

而使基本粒子达到接近光速,需要巨大的能量和漫长的加速距离。

发现未知的基本粒子

欧洲核子研究组织(CERN)运营的“大型强子对撞机(LHC)”,是世界上性能最强的加速器。跨越瑞士与法国两国边境,在地下100m深处,有一条周长与山手线铁道基本相同,达到27km的环形隧道。在这里进行的实验中,人们发现了另一种未知基本粒子“希格斯玻色子”。预测希格斯玻色子存在的两位科学家,获得了2013年的诺贝尔奖。

但是,使用环形加速器时,基本粒子在转弯时会损失能量。质量大的基本粒子基本不损失能量,受到的影响较小。但是,要想详细调查在撞击中产生的基本粒子,需要在实验中使用电子等质量小的基本粒子。建设直线型的“国际直线对撞机(ILC)”的构想由此就应运而生。

ILC的构想是在地下100m处挖掘长31km的直线隧道,设置巨大的“加速管”贯穿整条隧道。加速管是设备的核心。

在实验之前,先向周长为3~7km的“阻尼环”中投入电子和正电子。使其在0.2秒内旋转1万~2万周,提高基本粒子的密度,加大撞击概率。之后,电子和正电子将进入采用超导技术的加速管。加速管的特点是使电阻降低到零,预防了能源损耗。

然后,使加速到接近光速的电子和正电子,在31km长的加速管的中央正面相撞。使用粒子探测器,观测新产生的基本粒子的电信号。

按照国际上达成的共识,ILC将在岩手县的北上山地建设。这是因为过去的经验表明,建设LHC必须借助日本企业的技术,各国都将日本视为加速器“领先国家”。

一个具有代表性的例子,是古河电气工业开发的超导电缆。为了调整基本粒子的轨道,提高撞击概率,必须借助在超导状态下产生的强磁场。这就需要使用高性能的电缆。该公司的董事常务小林敬一自豪地表示:“最大限度减少杂质的高纯铜的精炼技术、将高纯铜加工成品质均匀的电缆的技术,这些是其他公司模仿不了的”。

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2015-12-18 09:59 上传


电缆先将6000根直径为6微米(微为100万分之1)的铜丝集成一束,再将36束合并为1条。正如古河电工日光伸铜工厂的厂长坪内宏和所说的那样,“这必须依靠‘工匠的手艺’才能实现”,为了保证电缆的特性统一,部分工序需要靠熟练的技术人员手工完成。

捕捉撞击后释放出的新基本粒子的“眼睛”,也少不了日本企业的技术。


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2015-12-18 10:00 上传



浜松光电公司(Hamamatsu Photonics)开发出了在硅基板的表面,以100微米为间隔铺设传感器的高性能检测器。撞击产生的基本粒子在通过基板时,会与硅晶体结合,电离成正负粒子。其中,传感器会感测到叫作“空穴”的正基本粒子的运动。通过检测通过位置并进行分析,分辨生成的是哪种基本粒子。

1次撞击大约会新产生2万个基本粒子。为了锁定希望观测的基本粒子,把其他电信号作为噪声去除,必须要使用“构件缺损率在0.01%以下的先进生产技术”(浜松光电公司部门负责人山村和久)。在欧洲设备厂商接连放弃LHC的情况下,该公司用10年的时间,成功开发出了检测器。


通过削减成本实现构想

只要集中日本企业的这些尖端技术,马上就能开工建设ILC。推进ILC建设的国际机构,准备在本世纪20年代中期完成施工。但日本政府还没有正式同意落户。

阻碍拍板的原因,是估价高达1万亿日元以上的建设成本。作为落户的国家,日本必须承担最多的预算,政府因此迟迟下不定决心。

实现必然要压缩预算。在这种情况下,有的日本企业已经采取了行动。

提供表面处理等加工服务的野村镀金(大阪市西淀川区),拥有为基本粒子赋予加速能量的基础装置“超导加速空洞”的研磨技术。要想高效产生能量,需要使用高浓度的硫酸和氢氟酸,均匀研磨筒状的空洞内部,制成平滑的镜面。

仅有250名员工的野村镀金,正在开发无需成本高昂的硫酸和氢氟酸,只使用氢氧化钠进行研磨的技术。如果实现,不仅可以使1台要价几亿日元的现行装置便宜一半还多,还能减少研磨产生的损伤。该公司技术部的田口纯志强调说:“通过削减各个构件的成本,可以向ILC的实现迈进一步。”

加速器除了尖端科学,还广泛应用于医疗和机电产业。KEK的道园博士指出,“通过在日本建设ILC,技术革新可以影响很多领域”。“终极加速器”在揭示138亿年前的宇宙形态的同时,无疑也会展现出日本美好未来的“冰山一角”。(记者:林英树)
http://china.nikkeibp.com.cn/news/nano/76340-201512081556.html?ref=mobile
哪个加速器不是利于研究宇宙之谜?标题党
和倭日,中国真还差的很远!
fw190bf109 发表于 2015-12-18 12:44
和倭日,中国真还差的很远!
什么差得很远
和倭日,中国真还差的很远!
说话都语病连篇,外国友人吗?跟楼主一样的性质?

feiguin2 发表于 2015-12-18 11:50
哪个加速器不是利于研究宇宙之谜?标题党


医疗用的加速器不要太多,你自己孤陋寡闻罢了
feiguin2 发表于 2015-12-18 11:50
哪个加速器不是利于研究宇宙之谜?标题党


医疗用的加速器不要太多,你自己孤陋寡闻罢了
   这年头无关人士就好比,连大科学装置也要比出哪个民族更优越。一帮无聊的人做无聊的比较,有空多看基本科学书籍不好么?
2015-12-18 20:23 上传



猎杀m1a2 发表于 2015-12-18 19:29
这年头无关人士就好比,连大科学装置也要比出哪个民族更优越。一帮无聊的人做无聊的比较,有空多看基本 ...
很贵的,真的,这方面有和西方借鬼的倾向
东亚重工 发表于 2015-12-18 20:23
上面提到的日本滨松,科研光电领域元件水平可以说是世界顶级,不但独家生产LHC的硅探测器,刚刚发射升空的 ...
PMT是探测器的核心部件,日吹真是刷新了我的认识。   是不是可以不用BGO棒子,直接把大日本帝国生产的PMT扔上天就可以发现暗物质了?   那日本怎么还不赶紧发个卫星,里面装上十万个PMT,保证比天朝这个更早发现暗物质
直线电子加速器?吓我一跳。

话说在日本修加速器设计者是没学过地理么
alucrad 发表于 2015-12-18 22:36
直线电子加速器?吓我一跳。

话说在日本修加速器设计者是没学过地理么
人说了,那个北上山是被311大地震测试过
楼主说超导电缆用铜,我咋觉得得是NbTi合金呢
不过探测器中的顶点探测器有些地方就是硅半导体技术,日本可能有优势这个我一直承认
但除了这点之外,超导电缆之类的也早在比如EAST上用了国内大规模生产的,实在没必要吹


我和feiguin2眼里的加速器只有LHC,ILC,CEPC和FCC-ee,历史上还有若干,医疗用途的在我们眼里根本算不上加速器
要比ILC和CEPC也是口水话题。两者造价相当,ILC无疑进度早得多,技术设计报告TDR都写好了几年了,CEPC才刚刚写好了初步概念设计报告preCDR,还有正式CDR之后才到TDR。但现在ILC完全就是被晾一边了,据说和东京奥运可能有冲突的关系
纯粹从物理上说,直线的ILC是一个只关心Higgs玻色子性质的人的首选,质心系能量可以提高到TeV以上在各个能量上精确研究Higgs玻色子性质;但是对于更进一步的新物理ILC是没前途的,因为其直线的形式决定了它不能进一步升级成用质子对撞。CEPC的正负电子对撞的阶段只能选质心系能量240或350GeV不如ILC灵活,但产生的Higgs数量上应该也不差;更重要的是环形的它可以升级成质子质子对撞机,质心系能量到100TeV,比ILC要高两个数量级。
东京大学卡弗里研究所竹内道九研究员完全承认这一点,ILC是有遗憾的,比起ILC来他更希望一个环形的加速器。历史上相对于直线加速器来说环形的一直都更主流,也是有原因的

我和feiguin2眼里的加速器只有LHC,ILC,CEPC和FCC-ee,历史上还有若干,医疗用途的在我们眼里根本算不上加速器
要比ILC和CEPC也是口水话题。两者造价相当,ILC无疑进度早得多,技术设计报告TDR都写好了几年了,CEPC才刚刚写好了初步概念设计报告preCDR,还有正式CDR之后才到TDR。但现在ILC完全就是被晾一边了,据说和东京奥运可能有冲突的关系
纯粹从物理上说,直线的ILC是一个只关心Higgs玻色子性质的人的首选,质心系能量可以提高到TeV以上在各个能量上精确研究Higgs玻色子性质;但是对于更进一步的新物理ILC是没前途的,因为其直线的形式决定了它不能进一步升级成用质子对撞。CEPC的正负电子对撞的阶段只能选质心系能量240或350GeV不如ILC灵活,但产生的Higgs数量上应该也不差;更重要的是环形的它可以升级成质子质子对撞机,质心系能量到100TeV,比ILC要高两个数量级。
东京大学卡弗里研究所竹内道九研究员完全承认这一点,ILC是有遗憾的,比起ILC来他更希望一个环形的加速器。历史上相对于直线加速器来说环形的一直都更主流,也是有原因的

东亚重工 发表于 2015-12-18 15:55
医疗用的加速器不要太多,你自己孤陋寡闻罢了


放在二炮版的贴子讲的加速器是医用低能加速器而不是高能粒子加速器?你是豆比么?是不是还要整个下载加速器?

来吧,给一个高能物理的人科普高能加速器吧,我看你能科普出什么来

下次显摆的时候记得是在自己真知道的领域,靠几幅PPT来给别人科普很逗比
东亚重工 发表于 2015-12-18 15:55
医疗用的加速器不要太多,你自己孤陋寡闻罢了


放在二炮版的贴子讲的加速器是医用低能加速器而不是高能粒子加速器?你是豆比么?是不是还要整个下载加速器?

来吧,给一个高能物理的人科普高能加速器吧,我看你能科普出什么来

下次显摆的时候记得是在自己真知道的领域,靠几幅PPT来给别人科普很逗比


记得huor老大就是学物理的
不知道现在量子物理有什么新进展,给科普一下吧

记得huor老大就是学物理的
不知道现在量子物理有什么新进展,给科普一下吧
15号晚上LHC发布了第一批运行在13TeV的数据,分析之后是在衰变出两个光子道中在750GeV处有超出本底的事例数,可以被解释成有750GeV质量的新粒子衰变成两个光子被探测到。我和同事用我觉得都快得不可思议的速度赶了论文出来,昨天提交今天已经能在网上看到,对我来说也就是30个小时冒头

feiguin2 发表于 2015-12-19 01:22
放在二炮版的贴子讲的加速器是医用低能加速器而不是高能粒子加速器?你是豆比么?是不是还要整个下载加 ...


我管你是学啥的,你自己用绝对的语气说加速器只能用作物理实验,被人举例医用加速器反驳后就开始打滚,我标题加了“高能”限定词吗?
我看你就是自以为是罢了
feiguin2 发表于 2015-12-19 01:22
放在二炮版的贴子讲的加速器是医用低能加速器而不是高能粒子加速器?你是豆比么?是不是还要整个下载加 ...


我管你是学啥的,你自己用绝对的语气说加速器只能用作物理实验,被人举例医用加速器反驳后就开始打滚,我标题加了“高能”限定词吗?
我看你就是自以为是罢了

huor 发表于 2015-12-19 00:57
楼主说超导电缆用铜,我咋觉得得是NbTi合金呢
不过探测器中的顶点探测器有些地方就是硅半导体技术,日本可 ...


按照古河田电工的说法,超导电缆用的是NbTi合金作为传导材料没错,但是难点在无氧铜,只有用高纯度铜丝包裹NbTi再辅以精密的机械加工一起拉伸才能达到要求,按照LHC要求,超导线材有6000多股,加起来只有0.8mm的细线,古河田号称是世界上第一个达到此能力的公司,被LHC在2004年特别表彰。中国在超导线材领域也很厉害,ITER的也采购了中国的NbTi/Cu合金线缆,所以这个技术国内应该也掌握了。




实际上我很反感楼上某些人在基础科学领域非要在国家之间比来比去,参与ITER的国家不管投资多少,技术都是相互交流的,知识产权也是共有的,当初采购的古河田1999-2000年生产的中心螺线管线圈导体出过问题,预想20000次循环寿命结果只有6000次寿命,后来全世界科学家都在找问题原因,解决目前力学分析中的漏洞,为后面各国生产趟了路。这篇文章说的很清楚:
http://phys.scichina.com:8083/sciG/fileup/PDF/13zg1558.pdf


huor 发表于 2015-12-19 00:57
楼主说超导电缆用铜,我咋觉得得是NbTi合金呢
不过探测器中的顶点探测器有些地方就是硅半导体技术,日本可 ...


按照古河田电工的说法,超导电缆用的是NbTi合金作为传导材料没错,但是难点在无氧铜,只有用高纯度铜丝包裹NbTi再辅以精密的机械加工一起拉伸才能达到要求,按照LHC要求,超导线材有6000多股,加起来只有0.8mm的细线,古河田号称是世界上第一个达到此能力的公司,被LHC在2004年特别表彰。中国在超导线材领域也很厉害,ITER的也采购了中国的NbTi/Cu合金线缆,所以这个技术国内应该也掌握了。

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2015-12-19 08:26 上传



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2015-12-19 08:26 上传



实际上我很反感楼上某些人在基础科学领域非要在国家之间比来比去,参与ITER的国家不管投资多少,技术都是相互交流的,知识产权也是共有的,当初采购的古河田1999-2000年生产的中心螺线管线圈导体出过问题,预想20000次循环寿命结果只有6000次寿命,后来全世界科学家都在找问题原因,解决目前力学分析中的漏洞,为后面各国生产趟了路。这篇文章说的很清楚:
http://phys.scichina.com:8083/sciG/fileup/PDF/13zg1558.pdf

huor 发表于 2015-12-19 07:05
15号晚上LHC发布了第一批运行在13TeV的数据,分析之后是在衰变出两个光子道中在750GeV处有超出本底的事例数 ...
果然是高大上的领域,审稿这么快。。。
很贵的,真的,这方面有和西方借鬼的倾向
  基础科学全宇宙就这一套,不存在接轨与否问题。
东亚重工 发表于 2015-12-19 07:41
我管你是学啥的,你自己用绝对的语气说加速器只能用作物理实验,被人举例医用加速器反驳后就开始打滚, ...
没干货就瞎鼻鼻。。。
又是粒子加速器,效仿中国。
http://newsblog.chinatimes.com/duduong/archive/17379
http://newsblog.chinatimes.com/duduong/archive/40485

【基礎科研】高能物理的絶唱(一)
現代高能物理始於1940年代的量子場論(Quantum Field Theory),最初的應用是以量子電動力學(Quantum Electro-Dynamics,QED)來解釋電磁力。在1950年代,加速器的技術突飛猛進,數以百計的高能粒子被發現;物理學家在整理這些粒子的時候,注意到各種對稱性(Symmetry),其中最深奥困難也最重要的是規範對稱性(Gauge Symmetry)。其實QED本身就是一個規範場論,但是它只是規範場論中最簡單的一種,叫可交換規範場論(Abelian Gauge Theory)。1954年,楊振寧和他的學生Robert Mills解決了非交換規範場論(Non-Abelian Gauge Theory)的難題,高能物理理論界隨即注意到用非交換規範場論來解釋弱作用力和强作用力(宇宙中只有四種作用力:電磁力、弱作用力、强作用力和重力)的可能,但是具體的細節還不清楚。1961年,當時在哈佛大學物理系的Sheldon Glashow領悟到電磁力和弱作用力如何混合起來的機制。1967年,Abdus Salam和Steven Weinberg把1964年定型的Higgs Mechanism加入Glashow機制,確立了完整的電弱理論。在1973-1974年間,有關强作用力的基本難題也被一一突破,從此高能物理界有了一套完整的理論體系來描述除了重力以外的所有作用力,它被稱為標準模型(Standard Model)。

在其後40多年裡,標準模型的成功超出了任何物理學家的意料之外。所有量化的實験和觀測都符合標準模型的預測;然而標準模型卻又很明顯地不是一個完整的理論。姑且不論它所需的幾十個特定參數值,首先它先天上就不包含重力。超弦原本的動機便是要把重力統一起來,在浪費了三十年卻只得到一坨污爛之後,不肯把靈魂賣給超弦的物理學家已經理解到,即使是圈量子重力論(Loop Quantum Gravity)這類還没有像超弦一様被證明是完全没有預測能力的重力理論,它的預測也必然會比現代加速器的能階(Energy Level)高出十幾個數量級(Order of Magnitude),因此它的可預測性仍然是幾百年内都無法用實験來檢験的。所以在最近幾年,大家(亦即還在做科學而不是只做論文的高能物理學家)的共識是重力太難了,還是先擺在一邊吧。既然必須接受欠缺重力的事實,標準模型裡的參數值也當然是目前不可能解釋的了。

但是即使不管重力和參數值,標準模型還是有其他的毛病。其中最重要的有三項:1)它不包含暗物質(暗能量顯然是和重力有關的,所以目前管不到);2)它不能解釋為什麼宇宙裡的物質和反物質没有對消盡净;3)它不含有能驅動宇宙暴脹(Cosmic Inflation)的暴脹子(Inflaton)。現在理論學家(Theorists)實在是想不出什麼好主意了(否則也不會讓超弦騙走這麼多人),真正的希望還是要靠實験。而實験要探索更高的能階有两個辦法,一個是靠精密測量很小的修正值;另一個則是建造更大型的加速器,以蠻力來產生更高能的粒子。前者一般比較便宜,但是往往只能探測參數空間(Parameter Space)裡的小小一隅;真正要產生詳盡的資料,最理想的還是更大的加速器,而現在最大最先進的加速器就是歐洲核子研究機構(Organisation Européene pour la Recherche Nucléaire,CERN)位於日内瓦的大型强子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)。

The Compact Muon Solenoid(緊湊型μ介子螺線管,CMS)是LHC的两個主要實験腔之一,成放倒的圓柱體,直徑15公尺,長21.6公尺,重14000噸,它與另一個實験腔ATLAS同是人類所建最先進複雜的機械。

LHC自1998年至2008年,共花費了十年才建成,總預算是75億歐元(約90億美元)。由於選錯了焊接工藝,2008年九月開機後9天,超導電磁鐵的電路就燒壞了。其後用了一年多才修好,但是只能以原設計能量(14TeV)的一半(即7TeV)運行。不過還好Higgs粒子質量(125GeV)不太高,在2013年LHC就有了足够的實験資料來證實這個發現,Peter Higgs和同僚隨即獲頒當年的諾貝爾物理獎。可是Higgs粒子是標準模型的(最後)一部分,當初計劃LHC時,發現Higgs粒子是最起碼的標的。真正的目的是要發現標準模型以外的粒子,尤其是超對稱粒子(Supersymmetric Particles)。超對稱(Supersymmetry)是超弦所做的幾十個假設裡,最重要也是最基本的一個,甚至連超弦名字裡的“超”都是由超對稱而來的(Super-String其實是Supersymmetric String的簡稱)。原本1970年代發明超對稱是為了解釋標準模型所需的幾十個特定參數值間的一些關係,不過後來大家發現即使是最簡單的超對稱模型都需要另外幾百個新的參數,於是有些人(包括我)就不再相信超對稱,而Witten和他的信徒(把超弦比為宗教並不是我的發明,超弦界自己在20年前就戲稱Witten為Pope,教宗)則加倍下注,搞出了更複雜、最終有10^500個自由度的超弦。在1990年代,做超弦的個個都說最輕的超對稱粒子會馬上被Tevatron(位於芝加哥附近的Fermi Lab内的上一代加速器,最高總能量在2011年停機前達到了2TeV)發現,所以LHC只是用來研究更重的那幾百個超對稱粒子的。結果此後每年Tevatron和後來的LHC的能量和亮度(Luminosity,即對撞實験的數量)提高一步,做超弦的就把最輕的超對稱粒子的質量往上調高一步,以解釋為什麼没有觀察到超對稱。到2013年LHC做完7TeV能階的實験後,超對稱理論的原始參數空間已經有99.9%被否定掉了。

LHC在過去两年關機,以便完全重建超導電磁鐵的電路。在未來幾週内將重新啟動,預計今年夏天可以達到接近原設計值的13TeV能階。 如果没有意外,到年底將會把超對稱理論的原始參數空間再壓縮两個位數,也就是否決掉99.999%。當然,做超弦的在過去20年已經自打嘴巴幾百次,再胡扯出幾千篇神話、重寫一次歷史也只是他們的專業。高能物理眼前真正的危機是LHC很可能無法超越標準模型。下一代的加速器目前檯面上的估價是200億美元,實際上大家都知道會超過500億。更糟糕的是LHC至少還保證有Higgs粒子來當安慰獎,下一代的加速器卻很可能什麼都找不到。高能物理界在2014年開始游說中共政府,希望忽悠李克强來當凱子;考慮李克强的智商,忽悠成功的機率很小。如果到年底LHC還没有發現新粒子(當然,發現超對稱粒子的機率是100%-99.9%=0.1%,所以希望只能寄托在其他的新粒子上),那麼我們這代人到死大概都不會再有更高階的加速器(不含能階略低於LHC,用來精密測量Higgs粒子的電子/正子直線對撞機)出現。前面提到除了加速器以外,精密測量也有可能突破標準模型;可是我的猜測是只有暗物質比較可能會如此被發現,而且機率不超過25%,這還包含了暗物質是一種微中子(Neutrino,大陸翻譯為“中微子”,標準模型只包含三種微中子,若有第四種則將超越標準模型)或軸子(Axion,不是標準模型的一部分)的可能,而新的微中子或軸子雖然超越標準模型,卻並不解釋更高能階的物理。所以總結來說,2015年很有可能是高能物理對我們這代人的絶唱。

【基礎科研】高能物理的絕唱(二)
我在今年一月寫的《高能物理的絕唱(一)》一文中,解釋了當前高能物理界的困境。40多年來無數的實驗,都無法突破標準模型(Standard Model)的預測,然而標準模型顯然并不包含暗物質和推動宇宙暴漲的機制。在1990年代初期,美國開始了新一代的對撞機計劃,設在德州,叫做SSC(Superconducting Super Collider,超導超級對撞機)。我博士班畢業之時,全班(哈佛高能物理理論當年畢業了7個博士,算是很大的一班)都馬上轉了金融,衹有我還想不開,覺得可以到SSC做現象學(Phenomenology,不搞叠床架屋的玄學,純粹解釋實驗結果的理論派),躲開超弦的歪風。沒想到一向花錢如流水的美國國會,居然在1993年爲了節省110億美元的預算,不顧好幾個諾貝爾獎得主(包括我當時的老闆Steven Weinberg,他原本是標準模型的三個創建者之一,可惜那時正要搭上了超弦的賊船)的游説,放棄了已經投入的20億美元資金,把SSC整個裁了,衹留下了草原地下深處幾英里長的一個大洞。我也淪落在前不着村、後不着店的德州,除了一件印著SSC的T-Shirt,什麽都沒有拿到。還好後來一個已到高盛工作的同班同學指點,才到費城找到了金融界的第一個職位。

SSC垮了之後,歐洲人以爲這是在“尖端科學”上超趕美國的大好良機,在同一群諾貝爾獎得主的努力哄騙下,相信可以發現超對稱粒子(參見前文《高能物理的絕唱(一)》;超對稱是超弦的起源,多借了幾百個新自由度來解釋標準模型的幾十個參數,一般人或許會認爲這是明顯的賠本生意,但是超弦論者還嫌不夠空汎,最後發明了有10^500個自由度的新理論),於是決定投入經費建造LHC(Large Hadron Collider,大型强子對撞機)。LHC沿用CERN(Organisation européenne pour la recherche nucléaire,原名Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire,歐洲核子研究組織,LHC是它的附屬單位)原有的隧道,能量也比SSC低一截,照理說應該可以減低一大半的造價,但是最後還是花了90億美元。這倒不像ITER(國際核聚變實驗反應爐,參見《永遠的未來技術》)屢次超支是日本籍主管人謀不臧的結果,而是因爲原本高能物理界就嚴重低估了預算來哄騙資金來源,所以雖然CERN是大型科學計劃管理的典範(LHC衹比原計劃晚了三年完成),還是超支了三倍左右(原預算是26億美元,不過這是1995年的幣值,而90億是1995年一路花到2008年)。

時間快轉到2015年,LHC在幾個起落之後,終於達到了13TeV(基本等同原設計的14TeV)的總對撞能量。昨天(2015年十二月15日)CERN開了記者會,公佈了最新的實驗結果,那當然是一個超對稱粒子都沒看到的。但是高能物理界沸沸揚揚,仍然興奮不已,因爲在比Higgs重6倍的能級上(750GeV,Higgs重125GeV)發現了一個“統計鼓包”(“Bump in Statistics”)。這種兩三個標準差的統計異常,其實在高能物理實驗裏稀鬆平常,絕大多數都起因於早期取樣數不夠,等實驗做久了自然就會消失。LHC今年的取樣連原計劃的一半都還不到,但是仍然在年底按時程改爲對撞重離子來研究強作用力,要等明年底才可能更新實驗結果。就算這個統計異常最後以極小的機率證實爲一個真的粒子,它也不過是第二個Higgs;Higgs是標準模型的一部分,所以大家早已都知道是必須存在的,不確定的衹在於有幾個。高能物理界花了25年,超過100億美元的資金,最後的成就就在於決定了Higgs粒子的數目,實在是無限的悲哀。

但是早在這個慘劇閉幕之前,學術界的大佬已開始忙著推銷下一代的實驗;他們不敢再吹噓超對稱這匹死馬的潛力,衹能説是要建一個等同100TeV能級(能級問題有點複雜;他們建議的是電子-正子對撞機,名義上能級比較低,但是在性能和費用上等同一個100TeV能級的強子對撞機,SSC和LHC都是强子對撞機)的Higgs工廠,把Higgs粒子的性質摸到底。像這樣無關宏旨的死巷子底的細節,仍然必須開挖一個100公里長的隧道,總造價號稱200億美元,其實至少要500億,若是最後上了1000億大家也不必喫驚。它的真正用途當然不是爲了發展科學,否則這種規模的資金,可以資助無可數計真正有社會價值的科學研究。這個Higgs工廠的唯一實際功能,是把大筆錢財當作閃電,以便將快要死透的高能物理這具尸體轉化成Frankenstein式的科學怪人,以行尸走肉式的存在撐到教授群的退休期;而即使是超弦論者向來都可以從大型實驗計劃裏巧立名目、分一杯羹。要實現這個美夢,最大的難關在於找到一個人傻錢多的金主,願意浪費大筆錢財買一個超英趕美的虛名,於是學術大佬的關愛眼神就全都投注到李克强身上。

去年在中國物理界的内綫安排下,Nima Arkani-Hamed成爲新成立在北京的高能物理前沿研究中心(Center for Future High Energy Physics,CFHEP)的主任,專門從事前面提到的游說工作。Nima Arkani-Hamed是超弦界創造力最強的教授之一;當然他近30年的幾百篇論文沒有一篇是對的(亦即被實驗證實來描述宇宙的真實現象),但是超弦界本身就是一個大泥坑,沒有任何一個人的任何一篇論文是對的,換句話説,它的選美標準不要求身上沒有爛泥,而Nima Arkani-Hamed不但是超弦界選美的冠軍之一,而且對超對稱特別有興趣,所以原本由他出面來忽悠下一代對撞機的金主是理所當然的。但是今年的LHC實驗結果顯然對超對稱這塊招牌有不利的影響,於是高能物理界衹好另闢蹊徑,從側翼出擊,找上了著名華裔數學家丘成桐(Shing-Tung Yau,他與超弦教主Witten長期合作過好幾個數學研究,交情很好)挂名,由一個專業科普作者代筆,在2015年十月23日出版了《From the Great Wall to the Great Collider》(《從長城到大對撞機》,參見http://intlpress.com/site/pub/pages/books/items/00000450/)來鼓吹這個騙錢的把戲。

我想他們實在太低估李克强的智商了,這齣鬧劇大概衹能無限期地演下去。名作家Upton Sinclair在1935年說了一句名言:“It is difficult to get a man to understand something, when his salary depends upon his not understanding it!”誠不我欺也。
热血神猪 发表于 2015-12-19 09:13
果然是高大上的领域,审稿这么快。。。
我们只是自己放在arxiv上
huor 发表于 2015-12-19 12:11
我们只是自己放在arxiv上
我说呢,就算编辑这么勤快,审稿人也没那么拼。
师兄现在博后?有打算拿个青千回国么

热血神猪 发表于 2015-12-19 12:46
我说呢,就算编辑这么勤快,审稿人也没那么拼。
师兄现在博后?有打算拿个青千回国么


做梦都想啊,这是我唯一的目标。奈何要求不低,比我早一年的合作者今年国内有单位愿意给他挂靠申请,但是遗憾的没上,看来我更得再等两年
热血神猪 发表于 2015-12-19 12:46
我说呢,就算编辑这么勤快,审稿人也没那么拼。
师兄现在博后?有打算拿个青千回国么


做梦都想啊,这是我唯一的目标。奈何要求不低,比我早一年的合作者今年国内有单位愿意给他挂靠申请,但是遗憾的没上,看来我更得再等两年
huor 发表于 2015-12-19 13:00
做梦都想啊,这是我唯一的目标。奈何要求不低,比我早一年的合作者今年国内有单位愿意给他挂靠申请,但 ...
师兄加油咯,现在国内已经上马或者即将上马的大科学工程不少,感觉是你们发挥作用的好机会
fw190bf109 发表于 2015-12-18 12:44
和倭日,中国真还差的很远!
只是一个将字 你都兴奋了?