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在物理学领域,只能有一个顶尖的对撞机,一台环形机器来统治它们。自从2009年末大型强子对撞机(LHC)在日内瓦郊外启动并迅速成为历史上最强大的对撞机以来,粒子物理学家的目光就一直在稳步地转向欧洲,并远离美国,在那里,伊利诺伊州的万亿电子伏特加速器长期以来一直被认为是世界上最好的对撞机。
这种力量的转移在最近来自运营这两个加速器的实验室的两项看似无关的声明中得到了清晰的体现。首先是1月10日来自费米国家加速器实验室(费米实验室)的消息,该实验室位于万亿电子伏特加速器6.3公里长的粒子跑道上,美国能源部(DoE)已决定不批准拟议的对撞机三年延期。据宣布,自20世纪80年代上线以来已取得众多发现的著名万亿电子伏特加速器将于9月份停止运行。三周后,欧洲核子研究组织(CERN)发表了一份几乎镜像的声明,该组织是运营大型强子对撞机的粒子物理实验室,该对撞机占地27公里。欧洲核子研究组织现在计划在2011年和2012年大部分时间不间断地运行大型强子对撞机,而不是像原计划那样在2012年关闭机器进行升级和维修,目的是寻找新的物理学。然后,该实验室将为大型强子对撞机准备从2014年开始的高能运行。
这两台机器都将基本粒子束加速到接近光速,然后用超导磁体将它们引导到巨大的环形轨道上,最后将反向的粒子束在正面碰撞中撞击在一起。(与汽车跑道一样,较大的对撞机环形轨道具有更缓和的曲线,可以实现更高的能量运动。)其理念是通过筛选这些碰撞产生的碎片,物理学家可以识别出寿命短暂的奇异粒子,并探测大爆炸后最初关键时刻存在的高能条件。
欧洲核子研究组织发言人詹姆斯·吉利斯表示,延长大型强子对撞机运行时间的呼吁并未受到关闭万亿电子伏特加速器决定的影响。“决定在2012年运行是受到大型强子对撞机去年良好性能的推动,这表明在当前能量下运行两年有望获得良好的物理学结果,”他说。
一个明显的可能性是,大型强子对撞机的两个主要探测器可能会发现——或证伪希格斯玻色子的存在,这是一种假设的赋予其他粒子其原本无法解释的质量的粒子。杜克大学物理学家阿尔弗雷德·戈肖说:“将来自两个大型通用实验ATLAS和CMS的数据相结合,你永远不知道会发生什么。”他是ATLAS合作组织美国机构委员会的主席。“很有可能在该粒子的各种可能质量范围内观察或排除希格斯玻色子,”他说。
费米实验室物理学家德米特里·丹尼索夫说,备受瞩目的希格斯玻色子搜索是保持万亿电子伏特加速器运行的主要动力。他是万亿电子伏特加速器两个主要实验之一的DZero的联合发言人。“如果将运行时间延长三年,并且在它应该出现的低质量希格斯玻色子存在的情况下,我们将能够看到它存在的3-sigma证据,”丹尼索夫说。(3-sigma结果是指统计侥幸事件的可能性大大降低。)戈肖称物理学界将无法同时使用两个对撞机进行搜索是一件“科学上的遗憾”。
毕竟,如果希格斯玻色子被证明接近其可能的质量范围的下限(正如实验表明的那样),那么万亿电子伏特加速器很有可能发现它,甚至可能在大型强子对撞机之前找到它。“事实证明,对于大型强子对撞机来说,最困难的质量范围是非常低质量的希格斯玻色子,”戈肖说。在大型强子对撞机碰撞中达到的能量下,低质量希格斯玻色子的主要衰变产物,即一个粲夸克及其反粒子,被其他过程产生的粲夸克和反粲夸克所掩盖。因此,大型强子对撞机必须转向不太常见、因此数据密集度更高的希格斯衰变成光子的过程。
美国能源部在拒绝让万亿电子伏特加速器继续运行时提到了严峻的财政环境。“正如你所预料的那样,这绝对是令人失望的,”丹尼索夫说。“我们真的提出了我们认为非常强有力的建议——而且不仅仅是我们这么认为,”他补充说,并指出延期请求已获得审查委员会和整个物理学界的广泛支持。“但我不认为我们应该过分强调负面因素。万亿电子伏特加速器项目非常成功。”在那里进行的实验收集的数据分析将在对撞机本身关闭后持续多年,这可能会为物理学界即将离任的巨头带来最后的辉煌。“即使通过今年年底获得的数据,如果希格斯玻色子不存在,我们也将能够排除它,”丹尼索夫说。
排除希格斯玻色子的存在会给粒子物理学的标准模型的平稳运转的齿轮中扔出一个量子扳手,这是对物理世界的描述,该描述在数十年的激烈实验审查中幸存下来。戈肖指出,无论希格斯追逐中发生什么,大型强子对撞机都有潜力在我们对宇宙的理解中开启类似的新领域。“我们很容易进入许多其他有吸引力的理论——暗物质、超对称、黑洞产生,”他说。“希格斯是其中的亮点,但如果我们什么也没发现,那将是绝对不可思议的。”