圖片來源：popularmechanics.com
（文/Eugenie Samuel Reich）物理學(xué)家們計(jì)劃建設(shè)一個(gè)新的加速器，它的軌道周長(zhǎng)將達(dá)到100千米，運(yùn)行能量將達(dá)到大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider,LHC)的七倍。
當(dāng)歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）在2008年試運(yùn)行的時(shí)候，物理學(xué)家們只想著怎么讓這臺(tái)價(jià)值50億美元的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)起來，此外別無所求。到了2012年，LHC發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，完成了它最初的使命，于是物理學(xué)家們開始興致勃勃地設(shè)計(jì)一臺(tái)新機(jī)器——超大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Very Large Hadron Collider,VLHC）。
理論物理學(xué)家邁克爾·帕斯金（Michael Peskin）說：“僅僅是出于謹(jǐn)慎，就應(yīng)該提前規(guī)劃未來幾十年。”帕斯金來自位于加州門洛帕克的斯坦福直線加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center,SLAC），他于11月2日向美國(guó)政府的一個(gè)顧問小組展示了VLHC計(jì)劃。
這臺(tái)巨型機(jī)器將完勝它的所有前輩。以歐洲核子研究中心（Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire,CERN）位于瑞士日內(nèi)瓦附近的粒子物理實(shí)驗(yàn)室LHC為例：在LHC中，質(zhì)子碰撞的能量最多達(dá)到14TeV（萬(wàn)億電子伏特），而VLHC能達(dá)到100TeV；LHC需要的隧道周長(zhǎng)為27千米，而VLHC將達(dá)到80到100千米。在過去十年中，全世界都沒有足夠的經(jīng)費(fèi)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)想。然而在今年夏天的斯諾馬斯會(huì)議上，數(shù)百位粒子物理學(xué)家云集明尼蘇達(dá)州的明尼阿波利斯，制訂粒子物理領(lǐng)域發(fā)展的長(zhǎng)期規(guī)劃，VLHC的計(jì)劃脫穎而出。
一些物理學(xué)家提醒我們，VLHC只是粒子物理發(fā)展全球計(jì)劃的一部分。其他重頭戲包括：升級(jí)LHC，它從今年2月份關(guān)閉了，為了進(jìn)行兩年的維護(hù)升級(jí)，目標(biāo)是將能量從7TeV提高到14TeV；在日本建一個(gè)國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)，將電子束和正電子束進(jìn)行碰撞，作為對(duì)LHC質(zhì)子碰撞實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充研究；深入研究費(fèi)米國(guó)立加速器實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的高密度中微子束，這是美國(guó)的一個(gè)主要項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)室位于伊利諾斯州巴達(dá)維亞。伊利諾斯州芝加哥大學(xué)的粒子物理學(xué)家喬納登·羅斯納（Jonathan Rosner）認(rèn)為，這些即將開展的項(xiàng)目才應(yīng)該成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。他說：“現(xiàn)在就只聚焦在VLHC還為時(shí)過早。
粒子物理學(xué)家對(duì)VLHC的興趣在某種程度上體現(xiàn)了他們正在回歸傳統(tǒng)：不斷追求更高的能量，以尋找構(gòu)成萬(wàn)物的基本單元。
粒子物理學(xué)家還需要證明這一切是值得的。希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)為希格斯場(chǎng)論提供了支持，理論認(rèn)為，一些粒子之所以具有質(zhì)量，是因?yàn)樗鼈兣c一個(gè)無處不在的、蜂蜜般粘稠的希格斯場(chǎng)發(fā)生了相互作用。但這個(gè)發(fā)現(xiàn)的其他方面仍然令人費(fèi)解，例如希格斯粒子的質(zhì)量為什么這么大。超對(duì)稱理論提供了一種可能的解釋，它認(rèn)為在更高的能量級(jí)上，每個(gè)已知粒子都有對(duì)應(yīng)的質(zhì)量更大的粒子。盡管LHC還沒有發(fā)現(xiàn)任何支持超對(duì)稱理論的證據(jù)，帕斯金仍然希望能夠在十年內(nèi)發(fā)現(xiàn)一點(diǎn)線索，以進(jìn)一步完善超大型對(duì)撞機(jī)的設(shè)計(jì)。
尼瑪·阿卡尼-罕默德（Nima Arkani-Hamed）也是VLHC計(jì)劃的支持者之一。他是新澤西州普林斯頓高等研究院的理論物理學(xué)家，將于12月到北京參加高能物理前沿研究中心的揭幕式。他說，這個(gè)研究中心的使命之一就是探索未來的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)的研究方向。劍橋麻省理工學(xué)院的加速器物理學(xué)家威廉·巴勒塔（William Barletta）也認(rèn)為，這些工作對(duì)加速器的設(shè)計(jì)起著關(guān)鍵作用，設(shè)計(jì)出一個(gè)能最大限度地發(fā)揮科研經(jīng)費(fèi)的價(jià)值的加速器。他說：“我們不會(huì)紙上談兵?！?/p>
巴勒塔補(bǔ)充說，要建一個(gè)100TeV能量級(jí)的加速器，物理學(xué)家還需要研制更強(qiáng)大的超導(dǎo)磁體，它能夠承受的磁場(chǎng)強(qiáng)度要從目前的14特斯拉提高到20特斯拉左右。鈮錫合金有望成為制作超導(dǎo)磁體的新材料，它能承受較強(qiáng)的磁場(chǎng)，但是價(jià)格昂貴，并且需要在18開爾文(約合-255攝氏度）的低溫下工作。（譯注：電流會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生磁場(chǎng)，如果超導(dǎo)材料中的磁場(chǎng)強(qiáng)度超過了它的臨界值，材料將變?yōu)槠胀▽?dǎo)體。）
CERN也有與VLHC相似的研發(fā)計(jì)劃。CERN加速器物理學(xué)家邁克爾·本尼迪克特（Michael Benedikt）領(lǐng)導(dǎo)一項(xiàng)關(guān)于“超高能量大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)”的研究，實(shí)驗(yàn)在日內(nèi)瓦湖下方進(jìn)行。研究的基本參數(shù)和VLHC的設(shè)想相同，即加速器周長(zhǎng)為80到100千米，碰撞能量100TeV。本尼迪克特希望，加速器將于2020年后投入建設(shè)，在LHC于2035年永久關(guān)閉后及時(shí)接班。他說：“在高能物理的道路上，沒有人愿意出現(xiàn)一個(gè)空白時(shí)期?！彼a(bǔ)充說，目前還沒法估計(jì)項(xiàng)目預(yù)算。不過其他物理學(xué)家猜測(cè)，為了獲得政治上的支持，新一代粒子對(duì)撞機(jī)的成本要低于100億美元。
