粒子物理学家不太可能是福音传道者，但在论文中、会议上以及通过T恤、贴纸和表情包，他们中的许多人正在传播缪子对撞机的好消息——这是一种下一代机器，它将撞击缪子，即电子的巨型表亲。在2021年的宣言《缪子粉碎者指南》中，粒子物理学的拥护者们阐述了他们的理由。“我们建造对撞机不是为了证实我们已经知道的东西，而是为了探索我们不知道的东西，”他们写道。“缪子在召唤，我们必须去。”
对于支持者来说，缪子对撞机的吸引力在于它有可能结合两种现有类型对撞机的优势。这些大型机器通常在地下环形隧道中碰撞质子或电子。通过记录这些碰撞的后果，物理学家可以收集有关亚原子领域布局的信息。每种方法都有其优点和缺点。重质子——每个质子实际上都是更小、更基本粒子的拥挤束——产生混乱、碎片堵塞、高能量的碰撞。轻质电子碰撞干净，但能量较低。
今天最主要的设施，大型强子对撞机（LHC），撞击质子以探测标准模型的极限，该理论是宇宙中最基本领域的地图。作为一张地图，标准模型已经成功得无可挑剔。它精确地描绘了基本粒子和连接它们的力的已知图景——非常精确，以至于任何与该理论的偏差都会成为头条新闻。但像所有地图一样，标准模型也有边界：它不包括引力，并且目前缺乏对暗物质身份等谜团的解答。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑支持我们屡获殊荣的新闻报道，方式是 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
物理学家从未成功地碰撞过缪子，主要是因为这些粒子在衰变之前仅存活 2.2 微秒。如果缪子可以被控制住，它们将产生既干净又高能量的碰撞——非常适合探索标准模型边界之外的领域。斯托尼布鲁克大学的理论物理学家帕特里克·米德认为，在缪子中，“大自然给了我们一份礼物；我们应该利用它。”
任何未来对撞机的命运都取决于首字母缩略词为 P5 的粒子物理项目优先排序小组，这是一个高权重的委员会，每十年召开一次会议，以设定研究议程并为关键项目推荐资金。P5 报告定于今年秋季发布，许多物理学家希望它包括大力推动缪子对撞机的内容。
无法保证任何未来的对撞机都会发现新的粒子，但倡导者对缪子所蕴含的发现潜力感到兴奋。拥有真实的缪子对撞机的未来仍然遥遥无期。即使在最快、最乐观的时间表上，缪子对撞机也至少要二十年后才能启动。但物理学家们已经在梦想着用缪子可以探索哪些领域。“我们有机会做一些前所未有的事情，”麻省理工学院的理论物理学家卡里·塞萨罗蒂说。“十年前存在的障碍正在消失。现在是时候了！所以对我来说，就像，你为什么会不想做呢？”
缪子进入环形轨道
缪子的问题在于它们会衰变。在它们短暂的生命周期中，它们需要被冷却、聚焦并加速到接近光速。最可行的方法是从让缪子通过诸如液氢之类的介质开始，液氢会消耗它们的能量。然后，强大的磁铁可以聚焦缪子并将它们加速到一个环路中，在那里它们在衰变之前发生碰撞。这种计划的变体已经存在了几十年——一种设计被称为“古根海姆”，因为它类似于博物馆的螺旋形大厅。
出于对这一切可行性的好奇，2011 年，能源部成立了缪子加速器计划 (MAP)，这是一项小型的研发工作，旨在调查碰撞缪子的可行性。一个加速器物理学家团队开始创建对撞机的计算机模型，以查看哪些设计可能效果最佳。但就在这项工作刚起步时，两项发现似乎宣告了任何缪子对撞机的末日。
当缪子衰变时，它们会产生中微子——几乎不与物质相互作用的无实质粒子。这个过程会大量产生中微子，以至于“人们总是对使用缪子作为中微子源的可能性很感兴趣，”西北大学的中微子理论物理学家安德烈·德·古维亚说。多年来，建造缪子对撞机似乎是回答中微子的行为是否与反中微子不同的唯一方法。但在 2012 年，来自中国大亚湾反应堆中微子实验的结果，该实验探测到了来自核反应堆的中微子，表明这个问题不难回答。因此，中微子物理学家没有选择缪子对撞机，而是选择继续进行深地中微子实验，该实验目前正在南达科他州建设中。
具有讽刺意味的是，缪子对撞机的致命打击是希格斯玻色子的发现，希格斯玻色子是负责赋予其他基本粒子质量的粒子。希格斯玻色子似乎是标准模型中无数谜团的中心，它促使许多物理学家尽可能详细地研究它，方法是大量产生该粒子——他们已经制定了计划，通过建造所谓的希格斯工厂来实现这一目标。但对于缪子对撞机来说，仅仅通过产生希格斯玻色子来碰撞缪子是最坏的情况——就像用直升机去买杂货。“如果你看一下潜在缪子对撞机的不同能量尺度，希格斯工厂实际上是最难建造的工厂之一，”加速器物理学家和 MAP 前主管马克·帕尔默承认。
因此，2014 年的 P5 报告没有冒险尝试建造缪子对撞机，而是建议进行升级，这将有效地将大型强子对撞机变成希格斯工厂。MAP 被认为是不必要的，被削减了，该计划在几年内解散。“我们有一个很棒的产品，但我们没有一个好的客户，”费米国家加速器实验室 (Fermilab) 的加速器物理学家迪克蒂斯·斯特拉塔基斯说，他是 MAP 的成员。
如果不是一群意大利物理学家想要研究一种通过正电子（电子的反粒子）产生缪子的新方法，而无需棘手的冷却过程，那么故事可能就到此为止了。但意大利人是从头开始的。“我们没有任何软件。我当时很绝望，”意大利国家核物理研究所的粒子物理学家多纳泰拉·卢切西说。卢切西飞往芝加哥郊外的费米实验室，恳求 MAP 物理学家搜寻旧代码，这些代码藏在一台布满灰尘、被遗忘的计算机上。（另一半后来被发现，卢切西不得不招募一位朋友用 USB 驱动器把它带回意大利。）
虽然新的正电子方法最终被证明不可行，但在大西洋彼岸，美国研究人员听说了意大利的努力，并开始自行调查。
奇妙还是可行？
十年前，许多美国物理学家完全否定了缪子对撞机的前景。“我只是得出结论，这只是一些幻想，”加州大学圣巴巴拉分校的理论物理学家纳撒尼尔·克雷格说。技术挑战似乎太大了，而且尚不清楚为什么可能需要缪子对撞机的能力。
但到 2020 年，当美国物理学家开始众包他们领域未来计划的想法时，物理学领域已经发生了变化。流行的超对称 (SUSY) 理论是标准模型的附加理论，提出了大量新的粒子对应物等待探索——光子将有一个“光微子”分身，等等。原则上，这些对应物可以解释为什么希格斯质量很低，同时也可以作为暗物质粒子的极佳候选者。问题是，自从发现希格斯玻色子以来，LHC 在高达约 1,000 吉电子伏特 (GeV) 的搜索中没有发现任何新的 SUSY 型粒子。
这种缺乏新物理学——有时被称为“危机”——迫使许多物理学家寻求其他选择，特别是渴望在更高的能量下进行碰撞。“你真正想要的是一种电弱物理学的实验室，”克雷格说。在极高的能量下，控制电子等带电粒子行为的电磁力和控制裂变衰变等过程的弱力统一为一种“电弱”力。
观察到希格斯玻色子的存在是一次胜利。但正如克雷格和其他人所认为的那样，这一发现只是电弱物理学的“先兆”。在更高的能量下，通过精确的测量，物理学家希望对希格斯玻色子提出更多更深入的问题——它如何与其他粒子耦合，为什么它的质量如此之小，以及它在早期宇宙中的作用是什么。这是一项深奥的探索，具有非常实际的意义——例如，如果希格斯玻色子的一个参数是正数而不是负数，那么原子将永远不会形成，因为无质量的电子永远不会停留在它们的轨道上。“一个负号决定了你和我正在进行这次对话的事实是自然界中最奇怪的事情，”米德说。
由于 SUSY 的失败而重新聚焦，物理学家仔细审查了竞争的对撞机候选者，发现只有缪子对撞机才能在单个机器中结合他们想要的能量和精度。更重要的是，由于 MAP 和意大利团队的工作，缪子对撞机似乎不再是幻想。2020 年初，长期延迟的缪子电离冷却实验的首批结果证明缪子冷却可以实现。“我们有机会审视已经取得的所有进展，我们得出的结论是，‘哦，我的天哪，也许它并没有我们最初想象的那么遥远，’”费米实验室的探测器物理学家塞尔戈·金达里亚尼说。
在大流行期间，金达里亚尼和他的同事通过 Zoom 会议集思广益，寻找解决剩余技术挑战的方法，例如可怕的“束诱导背景”问题。在高能量下，高速运动的缪子在碰撞前会产生一种混乱的能量云，使得无法看清任何东西。但通过使用钨喷嘴和 LHC 开发的定时方法的新设计，研究人员现在相信他们能够滤除混乱，以清楚地看到缪子碰撞。
对撞机竞争
即使缪子对撞机变得越来越可行，许多持谨慎态度的物理学家仍然更喜欢其他对撞机选项。有些人仍然对位于日本的国际直线对撞机 (ILC) 抱有希望，这是一家希格斯工厂，它将在低能量下碰撞电子和正电子。然而，尽管 ILC 的计划已“准备就绪”，但它仍然处于悬而未决的状态——取决于日本政府的突发奇想。不确定性会产生焦虑，私下里，一些物理学家说 ILC 已经死了。
欧洲核子研究中心（CERN）的科学家们对缪子对撞机的前景很感兴趣，但不足以取代其他计划。CERN 是位于日内瓦附近的粒子物理实验室，负责建造和运营 LHC，当时和现在，CERN 的下一个大项目一直是未来环形对撞机 (FCC)，如果建成，它将是一个周长达 90 公里的庞然大物。“缪子对撞机是一个‘B 计划’，”CERN 的加速器物理学家和国际缪子对撞机合作组织负责人丹尼尔·舒尔特说。
FCC 的意图是首先作为一家希格斯工厂开始运营，它将碰撞电子和正电子。但所有希格斯工厂的前景都受到了 LHC 的硬件和软件升级的打击，这些升级提高了其研究该粒子的能力。克雷格说，那是“我们认为无疑是希格斯工厂的领地的一部分”。“LHC 已经取得了进展。”
为了达到更高的能量，CERN 最终希望升级 FCC，使其以 100,000 GeV 的能量碰撞质子——比 LHC 目前的能力高出七倍。但时间表令人望而生畏。FCC 的建设尚未开始，该设施预计最早也要到 2048 年才能首次亮相。FCC 的质子碰撞要到 2075 年左右才能上线。
“这让很多年轻人吓坏了，”米德说。“我们基本上是在说这些问题超出了我们的视野，现在活着的人不会回答它们。”对于职业生涯早期的研究人员来说，缪子对撞机具有额外的吸引力：部分原因是其体积较小，它可以在 2045 年左右上线——在 FCC 首次碰撞其质子之前几十年提供一次划时代的能量升级。
“我认为那是我人生的转折点，”芝加哥大学的实验物理学家卡里·迪彼得里洛解释说。她和其他年轻物理学家一直是缪子对撞机人气飙升的幕后推手，他们通过发表演讲并试图说服更多犹豫不决的资深同事。在她的其中一次演讲中，迪彼得里洛包含了一个病态幽默的时间表：2060 年被标记为“卡里退休？”而在 2070 年——在 FCC 的质子启动前几年——一个讽刺的标签写着：“卡里死了？？？”
过去的未来梦想
如果说美国有什么地方可以被称为粒子物理学的墓地，那就是德克萨斯州的瓦克萨哈奇。除了几栋朴实无华的建筑物外，这片干旱景观最引人注目的特征是一系列未完工的隧道，相当于地面上一个价值 20 亿美元的洞。这些是超导超级对撞机 (SSC) 的可耻遗迹，它曾经被视为美国“大科学”计划的闪耀顶峰。
如果 SSC 完成，它的环形隧道将跨越 87 公里，并以 40,000 GeV 的能量撞击质子。在其对今天无法企及的能量的探索中，它本可以轻松地找到希格斯玻色子（以及谁知道还有什么），可能比 LHC 早十多年。
没有一个单一的原因可以解释为什么 SSC 被扼杀。预算管理不善、来自其他物理学家的反对、来自国际空间站的竞争、冷战时代对高能物理学无条件支持的结束以及乔治·H·W·布什总统在日本首相身上呕吐的不幸事件，所有这些都促成了 SSC 的惨淡命运。
在过去的 30 年里，这个大型项目的取消一直是粒子物理学家们抑制他们期望的严峻提醒。建造缪子对撞机的梦想是对雄心的回归。与缪子对撞机有关的任何其他值得注意的事情一样，它在其倡导者中激发了热情，他们中的许多人自豪地穿着缪子主题的服装。在今年 4 月在明尼阿波利斯举行的一次演讲中，普林斯顿高等研究院的理论物理学家尼玛·阿卡尼-哈米德总结了他支持缪子对撞机的理由：“这真是太他妈的令人兴奋了！”
尽管奖励未知且风险确定，但许多粒子物理学家正涌向缪子阵营。“如果我们没有挑战，”金达里亚尼说，“最聪明的人会去其他地方。”
换句话说：我们选择碰撞缪子不是因为它们容易，而是因为它们很难。