來源：【中國科學(xué)報(bào)】
文 李木子
美國建造一臺(tái)新的粒子對撞機(jī)的勢頭越來越猛，后者可以粉碎比電子更重的“表親”——繆介子（μ子）。物理學(xué)家希望用它發(fā)現(xiàn)新的粒子。
盡管μ子的短命特性使得這種對撞機(jī)在技術(shù)上難以建造，但它的主要優(yōu)勢在于可以設(shè)計(jì)得更小、更便宜。不過，實(shí)現(xiàn)這一愿景還很遙遠(yuǎn)，最早也要到2040年，但其倡導(dǎo)者表示，現(xiàn)在就需要開啟研發(fā)工作。
現(xiàn)在，世界各地的物理學(xué)家都在考慮這種對撞機(jī)的可行性。美國伊利諾伊州巴達(dá)維亞費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室的粒子物理學(xué)家Karri Di Petrillo說，這是一個(gè)“大膽而有前途的愿景”。
2012年，瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，但并沒有發(fā)現(xiàn)許多物理學(xué)家期望的其他新粒子，有人認(rèn)為這可能是因?yàn)槌隽藱C(jī)器的能力范圍。相反，μ子對撞機(jī)將是一臺(tái)“發(fā)現(xiàn)”機(jī)器，能夠通過前所未有的能量碰撞找到新的粒子。
物理學(xué)家對μ子對撞機(jī)的支持出現(xiàn)在“斯諾馬斯”期間，這是美國粒子物理界每十年一次的重大規(guī)劃活動(dòng)，旨在提出科學(xué)愿景。組織者會(huì)把數(shù)千名科學(xué)家的觀點(diǎn)提煉成一份報(bào)告，最終影響美國政府的資助。在物理學(xué)家撰寫的“能源前沿”部分的白皮書中，幾乎有三分之一是關(guān)于μ子對撞機(jī)的。
μ子可以被加速到比電子更高的能量，因?yàn)樗鼈冊谕捷椛鋾r(shí)損失的能量更少。它們比質(zhì)子碰撞有更大的優(yōu)勢。這包括粒子組成的夸克之間的碰撞，每個(gè)夸克只攜帶總碰撞能量的一小部分。
因?yàn)棣套邮腔玖Ｗ?，每次碰撞都涉及粒子的全部能量。這意味著一臺(tái)10萬億電子伏特、10公里長的μ子對撞機(jī)，可與CERN建造的100萬億電子伏特、90公里長的質(zhì)子機(jī)器產(chǎn)生能量相同的粒子。
μ子對撞機(jī)的概念自20世紀(jì)60年代就已存在，但直到最近幾年才開發(fā)出可行的技術(shù)來處理μ子的特性，包括μ子容易衰變、產(chǎn)生令人討厭的背景噪聲、很難誘使其形成強(qiáng)流束等。明尼蘇達(dá)大學(xué)的物理學(xué)家Priscilla Cushman說，美國物理學(xué)家之所以興奮，是因?yàn)橛凶銐虻臅r(shí)間來開發(fā)和制造這臺(tái)機(jī)器，以取代希格斯粒子工廠。
費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室的粒子物理學(xué)家Joel Butler說，它是否會(huì)在美國建造取決于資金、政治及技術(shù)的可行性。斯坦福大學(xué)粒子物理學(xué)家Caterina Vernieri說，人們對μ子對撞機(jī)的熱情與對成本和可持續(xù)性的關(guān)注相關(guān)。
過去十年，無論是在設(shè)計(jì)用于尋找暗物質(zhì)的大質(zhì)量探測器上，還是在大型強(qiáng)子對撞機(jī)上，都未能找到理論上預(yù)測的一種暗物質(zhì)，即弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP），這意味著暗物質(zhì)肯定比人們想象的更奇特。
奧地利格拉茨大學(xué)的暗物質(zhì)物理學(xué)家Suchita Kulkarni說，物理學(xué)家希望尋找更輕的暗物質(zhì)候選者，并重新審視他們的研究。考慮到暗物質(zhì)可能作為一個(gè)整體而不是一個(gè)粒子存在，斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家Micah Buuck說，要找到它就需要進(jìn)行一些大型而敏感的實(shí)驗(yàn)，比如那些已經(jīng)在尋找WIMP的實(shí)驗(yàn)，還有更多的小型實(shí)驗(yàn)。
明年將是關(guān)鍵時(shí)刻。屆時(shí)美國聯(lián)邦粒子物理優(yōu)先小組將利用斯諾馬斯的結(jié)論和預(yù)算方面的考慮，向能源部和國家科學(xué)基金會(huì)的出資人提出未來十年的投資建議。
《中國科學(xué)報(bào)》 (2022-08-10 第1版 要聞)
編輯 | 趙路
排版 | 志海
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