加速器將把這個(gè)更重的電子粉碎在一起，研究人員希望能發(fā)現(xiàn)新的粒子。
有幾種可能的加速器可以跟隨大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。圖片來源：丹尼斯巴利布斯/路透社/阿拉米
在美國建造粒子對(duì)撞機(jī)的勢(shì)頭正在增長(zhǎng)，該對(duì)撞機(jī)可以粉碎 μ 子——更重的電子表親。對(duì)撞機(jī)將跟隨世界上下一個(gè)尚未建造的主要加速器，物理學(xué)家希望它能發(fā)現(xiàn)新的基本粒子。盡管 μ 子的短暫性使得這種對(duì)撞機(jī)在技術(shù)上難以制造，但其主要優(yōu)勢(shì)在于它比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)撞機(jī)設(shè)計(jì)更小且可能更便宜。其倡導(dǎo)者表示，這一愿景最早要到 2040 年代仍然很遙遠(yuǎn)，但現(xiàn)在需要開始研究和開發(fā)。
伊利諾伊州巴達(dá)維亞費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室 (Fermilab) 的粒子物理學(xué)家 Karri Di Petrillo 說，這是一個(gè)“大膽而充滿希望的愿景”。她說，世界各地的物理學(xué)家都在考慮這種對(duì)撞機(jī)的可行性，但在美國舉辦它“將改變我這一代物理學(xué)家的游戲規(guī)則”。
改造后的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將如何尋找新的物理學(xué)斯諾馬斯期間出現(xiàn)了物理學(xué)家對(duì) μ 子對(duì)撞機(jī)的支持，這是美國粒子物理學(xué)界的一項(xiàng)重大規(guī)劃活動(dòng)，大約每十年制定一次科學(xué)愿景。演習(xí)在 7 月 17 日至 26 日在華盛頓州西雅圖舉行的為期 10 天的研討會(huì)中達(dá)到高潮。組織者現(xiàn)在將把數(shù)千名科學(xué)家的觀點(diǎn)提煉成一份報(bào)告，描述該領(lǐng)域的主要問題以及解決這些問題所需的內(nèi)容，這最終將影響美國聯(lián)邦的資助。物理學(xué)家為該演習(xí)的“能源前沿”部分貢獻(xiàn)的白皮書中，幾乎有三分之一是關(guān)于 μ 子對(duì)撞機(jī)的，會(huì)議上興奮的支持者出售了支持該計(jì)劃的 T 恤。
希格斯工廠
μ子機(jī)器將跟隨“希格斯工廠”的建設(shè)，這是一個(gè)主要的對(duì)撞機(jī)，歐洲、中國和日本的合作已經(jīng)在競(jìng)相建造，以精確研究被稱為希格斯玻色子的基本粒子(參見“未來對(duì)撞機(jī)”)。位于瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī) (LHC) 于 2012 年發(fā)現(xiàn)了與賦予粒子質(zhì)量的場(chǎng)有關(guān)的希格斯粒子。但它沒有發(fā)現(xiàn)許多物理學(xué)家認(rèn)為的其他新粒子預(yù)料之中，有些人現(xiàn)在認(rèn)為這可能超出了機(jī)器的能力范圍。
希格斯工廠將把電子與其對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)正電子聚集在一起，碰撞比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞更干凈，從而可以進(jìn)行精確研究。相比之下，μ子對(duì)撞機(jī)將是一臺(tái)“發(fā)現(xiàn)”機(jī)器，試圖通過前所未有的能量碰撞發(fā)現(xiàn)新粒子，并闡明先前實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的差異的原因。
μ子可以被加速到比電子更高的能量，因?yàn)樗鼈冏鳛橥捷椛鋼p失的能量更少。與質(zhì)子碰撞相比，它們具有很大的優(yōu)勢(shì)。這些涉及粒子組成夸克之間的粉碎，每個(gè)夸克只攜帶總碰撞能量的一小部分。因?yàn)?mu;子是基本粒子，所以每次碰撞都涉及粒子的全部能量。這意味著一個(gè) 10 萬億電子伏 (TeV) 的 μ 子對(duì)撞機(jī)，長(zhǎng)約 10 公里，所產(chǎn)生的粒子能量與歐洲核子研究中心希望在本世紀(jì)下半葉。
自 1960 年代以來，介子對(duì)撞機(jī)的概念就已經(jīng)存在。但是直到最近幾年才開發(fā)出可行的技術(shù)來處理μ子的怪癖，其中包括它很容易衰變，產(chǎn)生令人討厭的背景噪音，并且很難哄騙形成強(qiáng)烈的光束。明尼阿波利斯明尼蘇達(dá)大學(xué)的物理學(xué)家 Priscilla Cushman 說，現(xiàn)在美國物理學(xué)家的興奮是因?yàn)橛凶銐虻臅r(shí)間來開發(fā)和制造機(jī)器以成功建立希格斯工廠，并且有很多人在這上面工作。
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的粒子物理學(xué)家兼斯諾馬斯指導(dǎo)小組主席喬爾巴特勒說，它是否會(huì)在美國建造取決于資金和政治以及技術(shù)可行性。歐洲核子研究中心還在組織一項(xiàng)國際合作，以研究μ子對(duì)撞機(jī)的可行性。他說，對(duì)于擺在桌面上的所有對(duì)撞機(jī)選項(xiàng)，美國物理學(xué)家必須進(jìn)行足夠的研究和開發(fā)，“以便在必須做出選擇時(shí)，以一種好的方式做出選擇”。
加州斯坦福大學(xué)的粒子物理學(xué)家 Caterina Vernieri 表示，對(duì) μ 子對(duì)撞機(jī)的熱情越來越關(guān)注成本和可持續(xù)性，她是一個(gè)提出更便宜的希格斯工廠設(shè)計(jì)的小組的成員，該設(shè)計(jì)被稱為酷銅對(duì)撞機(jī)。斯諾馬斯過程的一部分。
暗物質(zhì)
遠(yuǎn)距離對(duì)撞機(jī)只是斯諾馬斯議程的一小部分。在他們的近期計(jì)劃中，物理學(xué)家強(qiáng)調(diào)了他們從 2026 年開始對(duì) LHC 進(jìn)行高強(qiáng)度升級(jí)的承諾，這將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是到那時(shí)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)的十倍以上。他們還重申了他們希望在美國分階段建設(shè)一項(xiàng)名為 DUNE 的 1,300 公里的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)旨在研究被稱為中微子的難以捉摸的粒子的性質(zhì)。一些人主張繼續(xù)進(jìn)行 CMB-S4，這是對(duì)宇宙微波背景的下一代調(diào)查。
跨越學(xué)科的呼吁是確保存在廣泛的設(shè)施來尋找暗物質(zhì)。在過去十年中，無論是在用于搜索它們的大型探測(cè)器還是在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上，都未能找到一種理論上預(yù)測(cè)的被稱為弱相互作用大質(zhì)量粒子 (WIMP)的暗物質(zhì)，這意味著暗物質(zhì)必須更加奇特比想象的要好。
格拉茨大學(xué)的暗物質(zhì)物理學(xué)家蘇西塔·庫爾卡尼 (Suchita Kulkarni) 說，物理學(xué)家希望尋找更輕的暗物質(zhì)候選者，并重新審視他們的研究，以考慮它可以作為一個(gè)完整的粒子家族存在，而不僅僅是一個(gè)粒子。參加斯諾馬斯會(huì)議的奧地利。斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家 Micah Buuck 說，要找到它需要進(jìn)行一些大型而敏感的實(shí)驗(yàn)——比如那些已經(jīng)在尋找 WIMPS 的實(shí)驗(yàn)——以及更多小型的實(shí)驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)。
資金建議
指導(dǎo)小組成員庫什曼說，來自世界各地的物理學(xué)家提交了 521 篇論文，為期兩年的斯諾馬斯過程“令人筋疲力盡，但令人興奮”。
關(guān)鍵時(shí)刻將在明年到來，屆時(shí)美國聯(lián)邦粒子物理優(yōu)先級(jí)小組(P5)將利用斯諾馬斯的結(jié)論——以及預(yù)算考慮——向能源部和國家科學(xué)基金會(huì)的資助者提出未來十年的投資建議.
Kulkarni 說，物理學(xué)家現(xiàn)在正在研究如何最好地與資助者和公眾溝通。在過去的十年里，他們沒有發(fā)現(xiàn)許多人所期望的——與標(biāo)準(zhǔn)模型的偏差，他們對(duì)粒子物理學(xué)的最佳描述，他們知道這是不完整的。“社區(qū)正在努力建立一致和誠實(shí)的敘述，”庫爾卡尼說。“我們正在盡我們所能，并將從中學(xué)到一些東西。但發(fā)現(xiàn)是善變的情婦，你永遠(yuǎn)不知道什么時(shí)候會(huì)得到它們。”
