科技日报记者 刘霞

没人敢小瞧大型强子对撞机（LHC）。它是当今世界最强大的粒子加速器，它的能量和研究物理学前沿的能力一骑绝尘，其他对撞机只能望其项背。但“一刹那的光辉并不代表永恒”。最终，在2035年左右，这个27公里的环形能量场将会偃旗息鼓。之后呢？

“奉命于危难之间”！有不少团队提出了下一个大型对撞机的设计理念。据美国趣味科学网站近日报道，其中一种被称名为“紧凑型直线对撞机”（CLIC）。研究团队称，CLIC有望以更简洁的方式制造出大量的希格斯玻色子，以揭示其“真实面貌”、它和顶夸克之间的关系，甚至新物理学的“蛛丝马迹”。

清华大学工程物理系杨振伟副教授也对科技日报记者说：“我们现在需要精细研究希格斯玻色子的各种性质，一方面会丰富我们对自然的认识，另一方面可能会发现某些‘瑕疵’或者‘乌云’，从而为我们打开自然界新的大门。”

比LHC更简洁

LHC让一些被称为强子的重粒子彼此对撞——这也是该设备得名的由来，我们耳熟能详的质子和中子是强子这个微观粒子家族最常见的代表。

图片说明：如果置身LHC其中，定会让人想到星战片、科幻片中的场景，也会有时光穿梭的感觉。

在LHC内，强子一圈又一圈地旋转，形成一个巨大的圆圈，直到它们的速度接近光速并开始对撞。尽管LHC的对撞能量无可匹敌，但整个事情却有点混乱。毕竟，强子是一些更小、更基本的物质的组合，因此，当发生对撞的强子分崩离析时，它们的“内脏”会散落一地，使分析变得复杂。

相比之下，研究人员称，CLIC的设计更加简洁。CLIC不加速强子，而是加速电子和正电子，这是两种“体重”较轻的基本粒子。与LHC的环形不同，CLIC将沿直线加速粒子，加速距离11公里到50公里不等——取决于最终的设计。

研究人员称，目前的计划是：2035年，也就是LHC“功成身退”之时，CLIC将“低调”启动。第一代CLIC将以3800千兆电子伏（GeV，或吉电子伏）的能量运行，还不到LHC最大能量的三十分之一。事实上，即使CLIC以3万亿电子伏特（TeV）全速运行，也不到LHC目前能量的三分之一。

听起来，CLIC似乎有点逊，那建造它有何意义呢?

希格斯“捕手”

CLIC给出的答案是：它能更聪明而不是更努力地工作。

图片说明：粒子物理学标准模型，占C位的是希格斯玻色子图片来源：LHC官网

LHC的主要科学目标之一是寻找希格斯玻色子，完成科学家们一直以来的夙愿。希格斯玻色子的使命是赋予基本粒子质量。早在20世纪80年代和90年代，当LHC项目立项时，我们甚至不确定希格斯粒子是否存在，也不知道它的质量和其他特征。因此，我们必须建造一台通用装置，以穷尽各种可能证明其真的存在。

我们做到了。2012年7月4日，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家们兴奋地表示，他们借助LHC，发现了希格斯玻色子。“姗姗来迟”的希格斯玻色子是粒子物理学标准模型中最后一个“现身”的粒子，是粒子版图的最后一块“拼图”。

该研究团队称，既然现在我们知道希格斯玻色子是真实存在的，我们可以制造出尽可能多的希格斯玻色子，收集大量有趣数据，以更多地了解这种神秘但基本的粒子。

有望发现新物理学的“蛛丝马迹”

波兰华沙大学物理学家、CLIC合作组成员亚历山大·菲利普·扎内基在最新论文中，基于探测器和粒子碰撞的复杂模拟，阐释了该科学装置的设计现状。

他表示，CLIC有望在一个干净、易于研究的环境中尽可能多地制造出希格斯玻色子，以便我们对该粒子有更多了解：是否存在多种不同的希格斯玻色子？希格斯玻色子之间是否会相互“交流”？希格斯玻色子与亚原子物理学标准模型中的其他所有粒子的相互作用有多强？

同样的原理也适用于顶夸克，这是最不为人所知、最稀有的一种夸克。清华大学工程物理系张黎明副教授解释称，标准模型中共有六种夸克：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。顶夸克是最后一个被发现的夸克，有点“孤僻”——因为它一“出生”就立刻衰变，不跟任何夸克配对成强子。

图片说明：“向麦克老大三呼夸克（Three quarks for Muster Mark）”。这句话出自詹姆斯·乔伊斯小说《芬尼根的守灵夜》。1964年，当美国物理学家默里·盖尔曼读到这里时，眼前豁然一亮，于是，他将自己的最新发现命名为“夸克（quark）”。图片来源：清华大学官网

研究人员指出，即使在初始阶段，CLIC也将能制造出大约100万个顶夸克，对于LHC和其他现代对撞机来说，这是一个骇人听闻的数字。CLIC研究小组希望在此基础上研究顶夸克是如何衰变的。尽管顶夸克的产生非常罕见，而且顶夸克的某些衰变模式也如“人间哪得几回见”，但有了一百万个顶夸克，科学家们或许会从中发现一些端倪。

但故事到此并没有结束。除了制造出更多希格斯玻色子和顶夸克外，CLIC的巧妙设计使其能突破标准模型的边界。通过制造出大量希格斯玻色子和顶夸克，CLIC有望发现新物理学的“蛛丝马迹”。如果存在某种奇特粒子（粒子物理学标准模型无法解释的粒子）或相互作用，它会微妙地影响这两个粒子的行为，即它们的衰变和相互作用。

此外，CLIC甚至可能产生暗物质粒子，暗物质是一种神秘的、看不见的物质。当然，该科学装置无法直接看到暗物质（因为它是暗的），但如果碰撞的能量或动量消失了，物理学家立刻就会发现。

杨振伟说：“LHC正在升级，2025年左右会升级成高亮度LHC。从现在到2035年还有16年时间，谁知道16年时间内会发生什么事情呢？雄关漫道真如铁，而今迈步从头越！如果我们想有一个很好的机会来了解宇宙中已知的粒子并发现一些新粒子，不管LHC能否发现新东西，我们都应该继续前行，并从现在开始着手努力。”

杨振伟表示：“CLIC的主要特点跟它的名字一样，就是‘紧凑’，它可以在较短距离内将能量加速到3TeV，造价相对较低，如果能够建成，确实是研究希格斯玻色子的利器。目前还处于研发阶段，如果能实现，这将是我国科学家提议的大科学装置环形正负电子对撞机（CEPC）的一个重要竞争者。”

一大波对撞机正赶来

当今物理学界的“网红”希格斯玻色子、“新物理学”这些诱人又美味而且还充满了无限神秘感的大蛋糕，当然并非只有CLIC想从中分一杯羹。

杨振伟指出：“从历史来看，每一个重要粒子的发现都需要对其做精细研究，才能进一步推动人类对它以及相关的基本规律的认识。希格斯玻色子也不例外。我们现在需要精细研究希格斯玻色子的各种性质，在这个过程中，一方面会丰富我们对自然的认识，另一方面可能会发现某些‘瑕疵’或者‘乌云’，从而为我们打开自然界新的大门。这就是为什么在希格斯玻色子发现后（甚至在这之前），各国科学家提出了多个下一代加速器项目或概念，CLIC只是其中之一。”

据杨振伟介绍，较早提出的概念是国际线性对撞机（ILC），随后是CLIC，这两个都是直线对撞机，都是在发现希格斯玻色子之前就提出并开始研发的。日本正在争取主导建造ILC。ILC将使正负电子沿着总长约31公里长的轨道进行对撞，相较之下，LHC只有27公里长，并且是让质子在位于欧洲核子研究中心的一个环形轨道中进行对撞。新华社此前的报道称，ILC造价约78亿美元，日本东北地区的岩手县及宫城县被列为候选建设地，预计将于本世纪20年代后期开始运转。

风乍起，吹皱一池春水！2012年发现希格斯玻色子之后，我国科学家提出CEPC，欧洲科学家提出未来环形对撞机（FCC）；这两个都是环形对撞机，因为发现的希格斯玻色子质量“相对较小”，大约125 GeV，环形正负电子对撞机可以达到产生希格斯玻色子的能量。

杨振伟解释道：“但是，如果希格斯玻色子质量高到一定程度，就必须用直线对撞机，因为那时正负电子同步辐射损失的能量可能会超过我们能够提供的加速能量，也就是说，在环形隧道一定的情况下，环形正负电子对撞机的能量有个上限。可以说，希格斯玻色子质量是125 GeV，为我国的CEPC提供了一个超越欧美的机会。”

小小的希格斯玻色子，“引无数英雄竞折腰”，谁会成为这场粒子物理学马拉松比赛的冠军？我们拭目以待。

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