歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)"強(qiáng)勢(shì)升級(jí)" 亮度提升5到10倍

當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月1日，歐洲核子研究中心（CERN）官網(wǎng)刊文透露，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的下一代“繼任者”——高亮度大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的升級(jí)工作正在進(jìn)行。

高亮度LHC項(xiàng)目預(yù)計(jì)從2026年正式開(kāi)始運(yùn)行，其亮度將比LHC提升5到10倍，從而大大提升LHC的性能。

據(jù)CERN官網(wǎng)介紹，2013年，高亮度LHC項(xiàng)目被歐洲粒子物理戰(zhàn)略列為首要優(yōu)先項(xiàng)目。按照目前CERN的預(yù)算，從2015年到2026年期間，高亮度LHC的設(shè)備預(yù)算是9.5億瑞士法郎，折合人民幣約67億元。

數(shù)據(jù)采集能力將提升數(shù)倍

“對(duì)撞機(jī)的亮度是指，兩個(gè)束團(tuán)發(fā)生對(duì)撞，每秒每平方厘米粒子發(fā)生對(duì)撞的數(shù)量。”中科院高能物理研究所研究員、環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）加速器負(fù)責(zé)人高杰接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪(fǎng)時(shí)介紹。

除了質(zhì)心對(duì)撞能量，亮度也是對(duì)撞機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。

華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、LHCb中國(guó)組成員謝躍紅告訴科技日?qǐng)?bào)記者，亮度提升意味著在相同條件下、同樣時(shí)間里發(fā)生的質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)次數(shù)增加，因而能夠提供更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于物理研究。

“如果LHC的亮度提高5到10倍，那么原則上高亮度LHC的數(shù)據(jù)采集能力也需提升5到10倍。”高杰告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

高杰分析，高能實(shí)驗(yàn)物理依賴(lài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高速采集和海量存儲(chǔ)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家需要采集到足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量并對(duì)相關(guān)物理現(xiàn)象進(jìn)行分析、研究并與理論預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比較。亮度提高而引起的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量的大幅增長(zhǎng)，意味著LHC目前沒(méi)辦法開(kāi)展的很多研究，未來(lái)將能夠在高亮度LHC上進(jìn)行，盡管高亮度LHC的對(duì)撞能量與LHC相同。

“配合相應(yīng)的探測(cè)器升級(jí)，高亮度LHC將極大提升新科學(xué)發(fā)現(xiàn)的潛力。”謝躍紅介紹，為達(dá)到亮度提升的目標(biāo)，高亮度LHC將在低溫超導(dǎo)、真空、束流控制等方面采用大量先進(jìn)技術(shù)，壓縮對(duì)撞點(diǎn)束團(tuán)尺寸以提高對(duì)撞束團(tuán)密度。

據(jù)CERN官網(wǎng)透露，高亮度LHC項(xiàng)目于2018年4月正式開(kāi)始工程建設(shè)。目前高亮度LHC項(xiàng)目施工地點(diǎn)包括LHC1號(hào)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)和5號(hào)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，分別位于瑞士的梅漢和法國(guó)的塞希。

精細(xì)測(cè)量“上帝粒子”是任務(wù)之一

“高亮度LHC產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)將為多個(gè)研究領(lǐng)域帶來(lái)巨大機(jī)遇，甚至有可能取得新的發(fā)現(xiàn)，其中包括超標(biāo)準(zhǔn)模型新粒子和新相互作用的尋找、電弱物理的精確測(cè)量、希格斯粒子性質(zhì)的研究、正反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)性的研究、強(qiáng)子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)研究等。”謝躍紅告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

以有著“上帝粒子”之稱(chēng)的希格斯粒子為例，謝躍紅介紹，繼2012年科學(xué)家在LHC上發(fā)現(xiàn)希格斯粒子后，利用高亮度LHC來(lái)繼續(xù)研究希格斯粒子的性質(zhì)和尋找超標(biāo)準(zhǔn)模型新物理成為順理成章的選擇。

據(jù)CERN官網(wǎng)介紹，2017年LHC通過(guò)質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞產(chǎn)生了大約300萬(wàn)個(gè)希格斯粒子。而高亮度LHC預(yù)計(jì)每年將產(chǎn)生至少1500萬(wàn)個(gè)希格斯粒子。

“發(fā)現(xiàn)‘上帝粒子’，只是開(kāi)始，而不是結(jié)束。”高杰解釋說(shuō)，希格斯粒子是標(biāo)準(zhǔn)模型中唯一可以和宇宙內(nèi)一切有質(zhì)量的物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)的粒子，其中既包括物質(zhì)粒子，也包括暗物質(zhì)。因此，精細(xì)測(cè)量希格斯粒子有助于精確研究物質(zhì)深層次結(jié)構(gòu)，也有可能成為發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)世界的重要窗口和途徑。

高杰告訴科技日?qǐng)?bào)記者，國(guó)際上提出的其他下一代大型對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目包括由中國(guó)物理學(xué)家提出的CEPC、日本政府正積極爭(zhēng)取的國(guó)際直線(xiàn)對(duì)撞機(jī)（ILC）項(xiàng)目及CERN規(guī)劃中的未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCCee）。在這些項(xiàng)目建成以前，高亮度LHC仍將是高能物理研究領(lǐng)域的重要研究工具和平臺(tái)。

談到中國(guó)科學(xué)家所參與的LHCb國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)，謝躍紅介紹，高亮度LHC時(shí)代的LHCb實(shí)驗(yàn)對(duì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型和間接尋找新物理具有極其重要的作用，同時(shí)還將為深入研究強(qiáng)子結(jié)構(gòu)和強(qiáng)相互作用性質(zhì)提供巨大機(jī)遇。