大型強子對撞機是當今世界最強大的粒子加速器，其能量和研究物理學前沿的能力無人能及。但一切榮耀都是暫時的，最終，在2035年左右，這個長27公里的環(huán)型加速器將會熄滅。

世界各地的競爭者都在爭先恐后地爭取資金支持，以使他們鐘愛的對撞機理念成為下一個重大發(fā)現(xiàn)的締造者。其中一個設(shè)計公布在《arXiv》上，被稱為線性對撞機（CLIC）希格斯玻色子的真正性質(zhì)是什么？又和頂夸克有什么關(guān)系？

能在標準模型之外找到一些物理學的線索嗎？新的CLIC或許能夠回答這些問題。大型強子對撞機(LHC)將一些被稱為強子的重粒子撞擊在一起，質(zhì)子和中子是這個微觀家族最常見的代表。在大型強子對撞機上，強子一圈又一圈地旋轉(zhuǎn)，形成一個巨大的圓圈，直到它們接近光速并開始撞碎在一起。大型強子對撞機所產(chǎn)生的的能量，是地球上任何其他設(shè)備都無法比擬的，雖然令人印象深刻，但整個事情卻有點混亂。畢竟，強子是聚集在一起的粒子，只是一袋更小、更基本的東西，當強子破碎時，組成部分就會散落一地，這使得分析變得復雜。

相比之下，CLIC被設(shè)計成更簡單、更清潔、更“手術(shù)”化。CLIC將取代強子，加速電子和正電子。這臺加速器將沿著一條直線加速粒子，從7英里到31英里(11公里到50公里)不等，這取決于最終的設(shè)計。所有這些好事不會同時發(fā)生，目前的計劃是，CLIC將在2035年，也就是大型強子對撞機逐漸停堆的時候。第一代CLIC將以3800千兆瓦的電子伏(GeV)運行，還不到大型強子對撞機最大功率的三分之一。事實上，即使CLIC目前的目標是3萬億電子伏特(TeV)，其全部運行能力也不到大型強子對撞機目前能力的三分之一。

所以，如果一個先進的下一代粒子對撞機無法超越我們今天所能做的，那又有什么意義呢？CLIC的答案是更聰明地工作，而不是更努力地工作。大型強子對撞機的主要科學目標之一是找到希格斯玻色子，這是一種長期以來一直在尋找的粒子。早在20世紀80年代和90年代，當大型強子對撞機被設(shè)計出來的時候，甚至不確定希格斯粒子是否存在，也不知道它的質(zhì)量和其他性質(zhì)是什么。因此，建造了一個通用的儀器，它可以研究多種可能揭示希格斯玻色子的相互作用。但現(xiàn)在知道希格斯玻色子是真實存在的，可以將對撞機調(diào)整到更窄的相互作用范圍。

在此過程中，目標是制造盡可能多的希格斯玻色子，收集大量有趣的數(shù)據(jù)，并更多地了解這種神秘但基本的粒子。這可能是你遇到最奇怪的物理術(shù)語：Higgsstrahlung。是的，你沒看錯，粒子物理學中有一個叫做軔致輻射的過程，這是一種獨特的輻射，由一堆熱粒子擠在一個小盒子里產(chǎn)生。打個比方，當你把一個電子猛擊到一個高能量的位置時，它們會以能量和新粒子相互毀滅，其中就有一個Z玻色子和一個希格斯玻色子。因此叫Higgsstrahlung。

頂夸克

波蘭華沙大學物理學家、CLIC合作項目成員亞歷山大·菲利普·扎內(nèi)基在新的論文中表示：基于對探測器和粒子碰撞的復雜模擬，解釋了該設(shè)施設(shè)計的現(xiàn)狀。CLIC的希望在于，只要在一個干凈、易于研究的環(huán)境中盡可能多地產(chǎn)生希格斯玻色子，就能對這種粒子有更多的了解。希格斯粒子會互相作用嗎？希格斯玻色子與亞原子物理學主流理論標準模型中的所有其他粒子相互作用有多強？同樣的原理也適用于頂夸克，它是最不為人所知和最稀有的夸克。你可能沒怎么聽說過頂夸克，因為它有點孤僻——它是最后一個被發(fā)現(xiàn)的夸克，而且很少見到它。

即使在初始階段，CLIC也將生產(chǎn)大約100萬個頂夸克，這在使用大型強子對撞機和其他現(xiàn)代對撞機時，提供了聞所未聞的統(tǒng)計能力。在此基礎(chǔ)上，CLIC研究小組希望研究頂夸克是如何衰變的，而這種情況很少發(fā)生，但是有了一百萬個，也許就能知道到一些東西，但這還不是全部。當然，充實希格斯玻色子和頂夸克是一回事，但CLIC的巧妙設(shè)計使其突破了標準模型的邊界。到目前為止，大型強子對撞機在尋找新粒子和新物理過程中遇到了困難。盡管它還有許多年的時間能讓我們發(fā)現(xiàn)更多東西，但隨著時間的推移，希望正在減少。

通過其原始的無數(shù)希格斯玻色子和頂夸克產(chǎn)生，CLIC可以尋找新的物理學線索。如果存在某種外來粒子或相互作用，它會微妙地影響這兩個粒子的行為，衰變和相互作用。CLIC甚至可能產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子，暗物質(zhì)是一種神秘、看不見的物質(zhì)。當然，該設(shè)施無法直接看到暗物質(zhì)，但物理學家可以發(fā)現(xiàn)碰撞事件中能量或動量消失的時間，表明正在發(fā)生一些古怪的事情。誰知道CLIC可能會發(fā)現(xiàn)什么？但無論如何，如果想有一個很好的機會了解宇宙中已知粒子并發(fā)現(xiàn)一些新的粒子，就必須超越目前的大型強子對撞機。

博科園｜文：Paul Sutter/Live Science

參考期刊《arXiv》

Cite: arXiv:1908.04671

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