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即北京谱仪实验,1 粒子物理和标准模型

来源:http://www.mytunex.com 作者:mgm娱乐场 时间:2019-10-24 08:05

环形正负电子对撞机谱仪和对撞区机械设计专题讨论会在高能所东莞分部召开,这也是CEPC综合探测器整体及对撞区附近的加速器系统的第一次正式联合讨论会。会议由娄辛丑主持,来自实验物理中心、加速器中心和东莞分部的15位专家到会,另有多位所内外专家通过视频参会,就CEPC预研项目的关键设计问题进行了讨论和规划。 会上,纪全汇报了CEPC谱仪初步设计进展,并建议探测器、MDI真空管及磁体等相关方面尽快确定边界和接口要求。梁志均、王海静和张国庆分别汇报了顶点探测器机械设计、对撞机区机械设计及轭铁的设计进展。与会人员讨论确定了后续研究交流计划。 电子对撞机,是一个使正负电子产生对撞的设备,它将各种粒子加速到极高的能量,然后使粒子轰击一固定靶。通过研究高能粒子与靶中粒子碰撞时产生的各种反应研究其反应的性质,发现新粒子、新现象。 对撞机又作为同步辐射装置,在凝聚态物理、材料科学、地球科学、化学化工、环境科学、生物医学、微电子技术、微机械技术和考古等应用研究领域取得了一大批骄人的成果。 利用同步辐射光对高温超导材料进行的深入研究;对世界上最大尺寸的碳60晶体以及在0.1-0.3微米X射线光刻技术的研究均取得重要突破;在微机械技术方面,制成了直径仅4毫米超微电机,这种电机将能在医疗、生物和科研等方面有独特的用途。目前世界上已建成或正在兴建的对撞机有10多台。

作者:靳松 娄辛丑 阮曼奇 徐庆金 朱宏博

天安门广场向西约15公里,形似一只羽毛球拍的北京正负电子对撞机大部分结构由北向南卧在地下,它由一台长202米的直线加速器、一组共200米长的束流输运线、一台周长240米的储存环加速器、一座高6米重700吨的大型探测器“北京谱仪”和14个同步辐射实验站等组成。

标签: 探测器

中国科学院高能物理研究所)

除了2004年至2008年进行的重大改造工程以及每年的检修时间,在这个地下的庞然大物里,正负电子几乎一刻不停地对撞,产生各种粒子事例,由布设在对撞区周围的谱仪捕捉,再由科学家初选出事例、进行物理分析。

摘要环形正负电子对撞机是中国高能物理学界提议建造的、下一代大型正负电子对撞机。CEPC不仅可作为Higgs粒子工厂而运行,也可产生海量的Z玻色子以及W玻色子,进而从Higgs物理、电弱精密测量、味物理和QCD等各个方面对粒子物理标准模型进行全面、细致的验证,并以此来揭示标准模型背后的物理规律。自倡议以来,我国高能物理学界对CEPC项目的物理潜力及其各项关键技术进行了积极的研究,并于2018年11月正式发布了CEPC的概念设计报告。这意味着CEPC项目的初步设计蓝图已经完成。文章在CEPC《概念设计报告》的基础上简介了其物理潜力及相关技术的研究进展。

进入中科院高能物理所44年,张闯几乎参与了北京正负电子对撞机及其重大改造工程的全过程。“在世界上最权威的粒子数据表上,北京谱仪测量的数据超过1000项,每一项数据就是一项成果。可以说,粲物理领域的绝大多数精确测量都是北京谱仪合作组完成的。”张闯很骄傲,他和他的同行,见证了北京正负电子对撞机成就的粲物理领域30年领先。

关键词环形正负电子对撞机,希格斯玻色子,精确测量,标准模型,新物理

超高能研究必须对撞

1 粒子物理和标准模型

高能物理所研究员、北京谱仪III发言人苑长征介绍说,北京正负电子对撞机是一台高能加速器,它提供的正负电子束流主要做两件事:一是高能物理实验,即北京谱仪实验,产出了一系列重大成果;二是同步辐射应用研究,也就是利用对撞时产生的同步辐射光供诸多学科领域开展研究,每年有大约500多个实验在这里完成。

粒子物理负责回答人类最古老、最深刻的两个问题,即世界是由什么组成的,以及它们的运行规则是什么。借助不断进步的技术手段,人类对这两个问题的理解也在不断加深。人们不断发现原有理论的缺陷,在修正和革新中一步步完善对自然的认识。

张闯研究员展示了一张漫画,两只小松鼠站在机器的两头,手中各拿着一个核桃,“把核桃往地上扔可能打不开,但让两个核桃高速对撞可能就能撞开。我们实际上就是要把粒子对撞打开,看里面是什么东西。速度越快、撞得越碎,越可能有所发现。”他用这个例子解释了“为什么要对撞”。

时至今日,我们对自然界的认识被总结为粒子物理的标准模型(Standard Model)。标准模型预言了三种粒子:自旋为1/2 的费米子,自旋为1 的规范玻色子,以及自旋为0 的Higgs 粒子。在标准模型看来,我们的物质世界由费米子组成,而运行规律则通过玻色子的交换来实现。这种交换不仅发生在费米子之间,同样也发生在玻色子之间。费米子和规范玻色子中的W、Z 粒子都通过和Higgs 场的相互作用获得质量,因此Higgs 场也被人们称为质量之源。

“如果不对撞,而是用电子束打静止靶,产生的有效的相互作用能量要小得多。1954年,著名的物理学家费米提出建造质心能量为3TeV的高能加速器,按当时的技术,采用打静止靶的方案,需要加速器的半径达到8000公里,比地球还要大;而欧洲强子对撞机的半径只有4.3公里,就达到了13TeV的质心能量,所以超高能研究一定要让两个束流进行对撞。”张闯说,但是束流对撞要求粒子多、截面积小、频率高,才能获得足够高的对撞亮度,因此难度也大得多。

标准模型是一个极为成功的理论,它精确地描述、预言以及诠释了粒子物理加速器实验中观测到的几乎所有实验现象。标准模型通过优美的数学结构统一描述了自然界中三大基本相互作用力:电磁力、弱力和强力。直至今天,标准模型的发展和验证获得了近三分之一的诺贝尔物理学奖。它不仅是粒子物理学科发展的主旋律,也是人类智慧的一首壮丽史诗。

“正负电子不断对撞,科学家获取分析对撞产生的大量事例,看其中是否可能有一些稀有现象,披沙拣金一般,各种新粒子都是这样现身的。”张闯说。

虽然标准模型取得了巨大成功,它本身却很难被认为是一个终极理论。在对撞机实验之外,标准模型无法解释一系列极为重要、极为基本的自然之谜,比如暗物质、暗能量、真空能、宇宙暴涨及演化、宇宙中物质的正反不对称性等一系列和宇宙演化相关的基本问题。另一方面,标准模型导致了一系列的理论疑难。比如,标准模型中的顶夸克和电子在质量上相差30 多万倍,而在标准模型看来,这两者的质量起源是完全一致的——这是很难让人信服的。在标准模型的面纱下,必然隐藏着大自然更深邃、更优美的奥秘1,2]。

在亿万粒子中找不同

Higgs 粒子是我们进一步理解自然的关键。它同标准模型中的绝大部分理论疑难直接相关。Higgs 粒子是标准模型中唯一的、自旋为0 的标量粒子。Higgs 场决定了所有粒子的质量。质量是物质最基础的属性之一,因此,Higgs 场极大地决定了宇宙的面貌。比如,Higgs 场决定了电子的质量,因此确定了原子的尺度;它决定了W、Z 粒子的质量,进而决定了弱相互作用的力程和强度。Higgs 粒子同其他粒子的相互作用对宇宙形貌的影响是极为深刻的,它们的微小改动,都可能导致宇宙中无法演化出和我们类似的生命;甚至会导致宇宙本身的不稳定性,乃至决定宇宙最终的宿命。正因如此,Higgs 粒子是标准模型中最奇妙、最令人着迷的粒子之一,它被认为是通向标准模型背后更深刻的物理原理的理想探针。所以,当Higgs 粒子被发现后,对其性质的精密测量立刻被提上日程。恰如美国普林斯顿高等研究院的着名理论家Nima Akani-Hamed 教授所言,“Higgs 粒子……是深刻的新原理的预兆,粒子物理学界无疑要和Higgs 粒子研究死磕到底”2]。

在粲物理领域,绝大多数精确测量都是北京谱仪合作组完成的。

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这来源于北京正负电子对撞机的卓越性能。“1988年10月16日对撞成功,运行30多年。对撞机是经过几代人的努力做出来的,我们这一代曾面临康奈尔大学的挑战,对方把能量降下来和我们竞争,一时间超过了我们,我们做了重大改造,在世界同类型装置中继续保持领先地位。”张闯说。2004年改造以前,对撞机以一对束团,每秒对撞约一百万次,2008年完成改造后,它成为目前的双环结构,约100个束团,每秒对撞约一亿次,加上其他性能的提升,亮度比改造前提高了100倍。

图1 标准模型基本组分粒子;标准模型粒子之间的相互作用

mgm集团美高梅登陆 ,在粒子物理领域存在三个研究前沿,分别是高能量前沿、高强度前沿、宇宙学前沿,北京正负电子对撞机处于高强度前沿,另外两端分别有大型强子对撞机、国际直线对撞机、未来环形对撞机等和高山宇宙线、空间探测器、望远镜等。

2 Higgs 粒子工厂:强子Vs 正负电子,直线Vs环形

站在极广大和极幽微的端点,物质结构研究尺度不同。张闯的讲述中,在20世纪初,人类认识的世界小到10的-10次方米的原子,大到10的11次方米远的行星。到1930年代,这个范围扩大到原子核和恒星。到了2000年,依托大科学装置,人类的视野深入到10的-18次方米的夸克、扩展到10的25次方米远的浩瀚太空。对物质结构的探索是人类一步步走出洞穴的过程。

mgm美高梅娱乐场 ,为了探索亚原子级乃至更小的结构,我们需要借助粒子加速器。加速器把微观粒子加速到越来越高的能量,以此来探索越来越小的结构。为了记录加速器所产生的关键信息,人们通过粒子探测器来测量并记录末态粒子的能量、动量、种类信息。有些粒子物理实验是不需要加速器的,比如宇宙线实验、部分中微子实验等等,但所有的实验都需要探测器。

令人惊喜的是,接受采访时,苑长征表示最近有一个重要发现:北京谱仪Ⅲ合作组发现正负电子对撞中兰布达超子存在横向极化,合作组利用2009年和2012年采集的13亿粲偶素数据,选出了纯度高、质量好的42万事例,发现由此产生的兰布达超子存在高达25%的横向极化。这项成果刚在英国《自然·物理》杂志刊出。

为精确测量Higgs 粒子性质,我们需要Higgs粒子工厂。发现了Higgs 粒子的大型强子对撞机本身就是强有力的Higgs 粒子工厂。时至今日,LHC已生产了数以千万计的Higgs 粒子,而其高亮度升级计划则将带来数以亿计的Higgs 粒子。另一方面,由于LHC的对撞粒子——质子参与强相互作用,质子—质子的反应截面非常大,这意味着LHC上的本底噪声水平非常高。事实上,在100 亿个质子—质子的对撞事例中只能产生一个Higgs 粒子。极高的本底水平导致LHC上产生的99%以上的Higgs 粒子事例无法被甄别记录。同时,在标准模型看来,质子并不是基本粒子,而是由夸克—胶子等成分组成的复杂系统,这意味着对撞的初态难以准确确定,也意味着难以控制的理论误差。这些不利因素,使得LHC难以进行Higgs 粒子性质的精确测量。模拟研究表明,在高亮度升级的情况下,LHC可将Higgs 粒子性质测量测到5%—10%的极限相对精度。通过LHC上已经产生的Higgs 粒子事例,人们初步确定Higgs 粒子的性质基本同标准模型预言相吻合。这也意味着,我们需要在更高的精确度下对Higgs 粒子性质进行测量。

为牵头大科学计划树立规范

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张闯打开电脑,进入对撞机的显示页面,屏幕上两条曲线沿时间轴向前推移,一条代表正电子流强的红线,一条代表负电子流强的蓝线,高点约在600毫安,大概一小时后,两条线匀速降至低点,约450毫安,这代表粒子数量越来越少,控制室的工作人员操作按键,注入正负电子,曲线抬头,继续每秒一亿次的对撞。

图2 大型强子对撞机及其上的4个大型实验

来自全世界14个国家、64所研究机构的400多名科学家,每天都可以在世界各地点开这个页面,看到两条曲线。

相比于强子对撞机,基于正负电子对撞机的Higgs 粒子工厂具有巨大的优势。正负电子是标准模型下的基本粒子,这意味着正负电子对撞机的初态是精确可知且可调的。在合适的对撞能量下,每100—1000 次正负电子对撞中就会产生一个Higgs 粒子事例,其信噪比比强子对撞机提高了一亿倍。在先进的探测器系统的支持下,几乎所有的正负电子Higgs 工厂上的信号事例都可以被甄别、记录。除此之外,正负电子Higgs 工厂还可以对Higgs 粒子性质进行模型无关的精确测量。正负电子Higgs 工厂可将Higgs 粒子性质测量到0.1%—1%的相对精度,超出LHC的极限精度达一个量级。

“从1989年开始实验起,就建立起北京谱仪合作组,这个合作组三十年来一直在一起做实验,是很不容易的。”张闯说,这套由中国牵头的国际重大科学装置的合作规则,也是北京正负电子对撞机的宝贵经验,为后来者做出示范。

正负电子对撞机是极有吸引力的、高精度的Higgs 粒子工厂。国际高能物理学界普遍认为,建造正负电子Higgs 工厂是未来高能物理对撞机实验发展的必由之路,并倡议了多个正负电子Higgs 工厂技术方案。这些方案中包括了欧洲核子中心倡议的未来环形对撞机3]和紧致直线对撞机4],可能被建设于日本的国际直线对撞机5],以及由我国高能物理学界提议的环形正负电子对撞机6—8]。这些被倡议的正负电子Higgs 工厂可以被分为两大类:直线对撞机和环形对撞机。前者包括CLIC和ILC,后者包括FCC和CEPC。

它将来会不会寿终正寝?张闯很坦然:我们的优势还会保持十年以上,这十年要继续做实验,比如继续研究轻强子谱和新强子态等,根据实验结果,看是否需要进一步提高性能。

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近几年,关于中国是否要建造环形正负电子对撞机的争论持续进行。去年底,两卷本的环形正负电子对撞机《CEPC概念设计报告》正式发布。前几天杨振宁在公开演讲中重申反对建设的观点,再次将争论摆上台面。

图3 可能的正负电子Higgs 粒子工厂:ILC,CEPC以及CLIC。其中FCC和CLIC示意图中,白色小圈代表LHC

“有争论很正常。”张闯不假思索,“但科学研究会找到自己的方向,比如我们的对撞机继续向前走,有需要可能再改造。如果暂时不能做高能量前沿,还可以做高强度前沿。如果因为经费或者技术原因不能做,可以等将来成熟了再做。”

为了理解直线对撞机和环形对撞机的优缺点,我们需简单了解同步辐射这一物理现象。牛顿定律告诉我们,物体总是倾向于保持匀速直线运动状态;微观带电粒子运动状态的改变将导致同步辐射光子的发射。同步辐射功率同带电粒子的能量/静质量之比的四次方成正比,并反比于其轨道偏转的曲率半径的平方。由于电子是标准模型中最轻的带电粒子,这意味着环形轨道上的正负电子可产生功率巨大的同步辐射(在正负电子Higgs 工厂中的γ 因子可达近百万)。这一方面限制了环形正负电子对撞机的质心能量,另一方面,也使得各种基于正负电子加速器的同步辐射光源成为可能。为了控制同步辐射功率,我们可以建造大型环形对撞机(通过巨大的曲率半径来限制同步辐射功率),或者可以建造轨道曲率半径无穷大的直线对撞机,对应着上文提到的两大类正负电子Higgs工厂。

“但最好能尽快挺进高能量前沿。”他补充。较量不可避免,“除了欧洲的FCC,日本还可能要做ILC,国际上既有合作、也有竞争。当然,希望下一代最强对撞机依然在中国。”张闯笑说。

对撞机上物理事例的产率是其反应截面和对撞机亮度的乘积。换言之,亮度体现了Higgs 工厂的生产率和总产量。对环形正负电子对撞机而言,在限制了同步辐射总功率的情况下,其亮度随质心能量的3 次方压低;而直线对撞机原则上不受同步辐射总功率的限制,其亮度随质心能量缓慢增加。因此,就亮度而言,环形正负电子对撞机在较低的质心能量上占优;而直线对撞机则在高能区占优,如图4 所示。同时,直线对撞机上仅有一个对撞点,而环形对撞机上则可同时拥有多个对撞点,意味着环形对撞机上可同时运行多个探测器、进行实验取数。由于Higgs 粒子的质量是125 GeV,质心能量为240—250 GeV的正负电子对撞即可有效产生Higgs 粒子。在这个能区,环形正负电子对撞机相对于直线对撞机有亮度上的优势。

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图4 正负电子Higgs 工厂上亮度与质心能量的关系

9]。其中CEPC的总功耗被限制在较低水平,导致其亮度比FCC略低

相对于环形对撞机,直线对撞机有两个突出的优点。第一,直线对撞机的质心能量基本同对撞机长度成正比,相对于环形对撞机,可以相对简单地提高其质心能量,在现有技术下质心能量原则上可以比环形正负电子对撞机提高近一个量级;第二,直线对撞机上原则上可以实现对撞粒子的纵向极化,这对很多物理测量是有优势的。在这个意义上,环形对撞机和直线对撞机拥有相当的互补性。

了解了质子对撞机和正负电子对撞机,以及直线对撞机和环形对撞机作为Higgs 工厂的比较优势,下面重点介绍我国高能物理学界倡导的CEPC 项目。CEPC 的主环周长长达100 km,是LHC 的近4 倍大。其总造价约为360 亿人民币,相当于北京5 号线地铁造价。在240 GeV 的质心能量下,CEPC 上预期将产生一百万Higgs 粒子,其产额比直线对撞机的代表ILC 大近6 倍,这意味着精确度上的巨大优势。图5 演示了CEPC 上一个特征的Higgs 事例。同时,在相对较低的质心能量下,CEPC 可进行丰富的物理测量:它可在91.2 GeV 的质心能量附近作为Z 粒子工厂运行,并在161 GeV附近的质心能量下进行W粒子阈值扫描。CEPC 上预期可以在极低的本底噪声下产生上亿W粒子,以及数以千亿计的Z 粒子。它不仅可以对Higgs 粒子进行精确测量,同时可以以超过现有水平达一个量级的精确度对电弱可观测量进行测量,同时,CEPC 可进行丰富的味物理、QCD测量。一言以蔽之,CEPC 可在各个方面,对标准模型进行精确的测量/验证,进而进行新物理规律的探索。同时,CEPC 项目还可以作为能量极高的同步辐射光源运行,继而为包括核物理、凝聚态、生物、医药研究在内的其他学科发展提供技术支持。

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图5 模拟产生的CEPC上的Higgs 事例

环形正负电子对撞机还可以被升级为质子对撞机。由于质子的静质量比正负电子大近2000倍,质子对撞机质心能量受同步辐射功率的限制要远小于正负电子对撞机,这意味着质子对撞机的质心能量可以远超正负电子对撞机。CEPC 可以被升级为超级质子对撞机,其质心能量将高达100 TeV,超过目前的LHC 达一个量级。除质子对撞外,SPPC 上还可运行重离子对撞,对宇宙极早期行为进行探索。CEPC 项目及其后续的SPPC 项目的生命周期长达数十年,一旦建成,将不断为粒子物理探索提供重要的前沿数据。

除了正负电子对撞机和质子对撞机之外,粒子物理学界也在积极探索其他类型的Higgs 粒子工厂,包括光子对撞机、Muon子对撞机、等离子体加速技术等等10]。综合考虑物理潜力、可行性、造价以及项目时间线,正负电子对撞机,特别是我国倡导的CEPC 项目,在诸多选择中拥有巨大优势。这一点得到了国内外高能物理学界的一致共识。2013 年的香山会议指出,“CEPC—SPPC 项目是我国高能物理发展的重要机遇”。2014 年,ICFA就CEPC项目和未来高能物理发展表态:“ICFA支持能量前沿环形对撞机研究并鼓励全球协调”,“ICFA鼓励国际环形对撞机研究,其最终目的是能量远超LHC 的质子— 质子对撞”。2016年3月的亚洲未来加速器委员会和亚洲高能物理委员会就ILC,CEPC与高能物理未来发展发表声明:“过去几年,对大型环形对撞机的兴趣一直在增长。这首先是一个希格斯工厂,最终成为一台高能质子—质子对撞机。我们鼓励中国领导的这个方向,并期望尽快看到技术设计完成”1]。2016 年8 月,中国物理学会高能物理分会年会明确表示,“CEPC是我国未来高能加速器物理发展的首选项目”。

3 概念设计报告:CEPC 离我们有多远?

2012 年,国内高能物理学界开始进行CEPC项目的讨论。2013 年9 月,CEPC 工作组正式成立。2015 年初,CEPC 工作组发布了CEPC的《预备概念设计报告》6],这一报告明确了CEPC项目的可行性。报告认为CEPC项目不存在原理性的困难,同时,报告甄别出大量需要仔细研究的关键技术。根据CEPC预备设计报告,CEPC工作组进行了大量的科研攻关,完成了对撞机、探测器上一系列关键技术的预研。2018 年11月,CEPC 研究工作组在北京正式发布CEPC 的两卷《概念设计报告》7,8],这意味着CEPC 项目的初步设计蓝图完成。

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