自旋相反:美國關閉萬億電子伏特加速器之際,大型強子對撞機加速尋找希格斯玻色子

隨著美國準備令人失望地關閉其標誌性對撞機,歐洲大型強子對撞機正在延長其前所未有的實驗執行


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在物理學領域,只能有一個頂尖的對撞機,一臺環形機器來統治它們。自從2009年末大型強子對撞機(LHC)在日內瓦郊外啟動並迅速成為歷史上最強大的對撞機以來,粒子物理學家的目光就一直在穩步地轉向歐洲,並遠離美國,在那裡,伊利諾伊州的萬億電子伏特加速器長期以來一直被認為是世界上最好的對撞機。

這種力量的轉移在最近來自運營這兩個加速器的實驗室的兩項看似無關的宣告中得到了清晰的體現。首先是1月10日來自費米國家加速器實驗室(費米實驗室)的訊息,該實驗室位於萬億電子伏特加速器6.3公里長的粒子跑道上,美國能源部(DoE)已決定不批准擬議的對撞機三年延期。據宣佈,自20世紀80年代上線以來已取得眾多發現的著名萬億電子伏特加速器將於9月份停止執行。三週後,歐洲核子研究組織(CERN)發表了一份幾乎映象的宣告,該組織是運營大型強子對撞機的粒子物理實驗室,該對撞機佔地27公里。歐洲核子研究組織現在計劃在2011年和2012年大部分時間不間斷地執行大型強子對撞機,而不是像原計劃那樣在2012年關閉機器進行升級和維修,目的是尋找新的物理學。然後,該實驗室將為大型強子對撞機準備從2014年開始的高能執行。

這兩臺機器都將基本粒子束加速到接近光速,然後用超導磁體將它們引導到巨大的環形軌道上,最後將反向的粒子束在正面碰撞中撞擊在一起。(與汽車跑道一樣,較大的對撞機環形軌道具有更緩和的曲線,可以實現更高的能量運動。)其理念是透過篩選這些碰撞產生的碎片,物理學家可以識別出壽命短暫的奇異粒子,並探測大爆炸後最初關鍵時刻存在的高能條件。

歐洲核子研究組織發言人詹姆斯·吉利斯表示,延長大型強子對撞機執行時間的呼籲並未受到關閉萬億電子伏特加速器決定的影響。“決定在2012年執行是受到大型強子對撞機去年良好效能的推動,這表明在當前能量下執行兩年有望獲得良好的物理學結果,”他說。

一個明顯的可能性是,大型強子對撞機的兩個主要探測器可能會發現——或證偽希格斯玻色子的存在,這是一種假設的賦予其他粒子其原本無法解釋的質量的粒子。杜克大學物理學家阿爾弗雷德·戈肖說:“將來自兩個大型通用實驗ATLAS和CMS的資料相結合,你永遠不知道會發生什麼。”他是ATLAS合作組織美國機構委員會的主席。“很有可能在該粒子的各種可能質量範圍內觀察或排除希格斯玻色子,”他說。

費米實驗室物理學家德米特里·丹尼索夫說,備受矚目的希格斯玻色子搜尋是保持萬億電子伏特加速器執行的主要動力。他是萬億電子伏特加速器兩個主要實驗之一的DZero的聯合發言人。“如果將執行時間延長三年,並且在它應該出現的低質量希格斯玻色子存在的情況下,我們將能夠看到它存在的3-sigma證據,”丹尼索夫說。(3-sigma結果是指統計僥倖事件的可能性大大降低。)戈肖稱物理學界將無法同時使用兩個對撞機進行搜尋是一件“科學上的遺憾”。

畢竟,如果希格斯玻色子被證明接近其可能的質量範圍的下限(正如實驗表明的那樣),那麼萬億電子伏特加速器很有可能發現它,甚至可能在大型強子對撞機之前找到它。“事實證明,對於大型強子對撞機來說,最困難的質量範圍是非常低質量的希格斯玻色子,”戈肖說。在大型強子對撞機碰撞中達到的能量下,低質量希格斯玻色子的主要衰變產物,即一個粲夸克及其反粒子,被其他過程產生的粲夸克和反粲夸克所掩蓋。因此,大型強子對撞機必須轉向不太常見、因此資料密集度更高的希格斯衰變成光子的過程。

美國能源部在拒絕讓萬億電子伏特加速器繼續執行時提到了嚴峻的財政環境。“正如你所預料的那樣,這絕對是令人失望的,”丹尼索夫說。“我們真的提出了我們認為非常強有力的建議——而且不僅僅是我們這麼認為,”他補充說,並指出延期請求已獲得審查委員會和整個物理學界的廣泛支援。“但我不認為我們應該過分強調負面因素。萬億電子伏特加速器專案非常成功。”在那裡進行的實驗收集的資料分析將在對撞機本身關閉後持續多年,這可能會為物理學界即將離任的巨頭帶來最後的輝煌。“即使透過今年年底獲得的資料,如果希格斯玻色子不存在,我們也將能夠排除它,”丹尼索夫說。

排除希格斯玻色子的存在會給粒子物理學的標準模型的平穩運轉的齒輪中扔出一個量子扳手,這是對物理世界的描述,該描述在數十年的激烈實驗審查中倖存下來。戈肖指出,無論希格斯追逐中發生什麼,大型強子對撞機都有潛力在我們對宇宙的理解中開啟類似的新領域。“我們很容易進入許多其他有吸引力的理論——暗物質、超對稱、黑洞產生,”他說。“希格斯是其中的亮點,但如果我們什麼也沒發現,那將是絕對不可思議的。”

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