摘要：Tulika Bose、Philip Burrows和Tara Shears与 Michael Banks 谈论 2012 年发现希格斯玻色子，以及下一个大型粒子对撞机将如何加深我们对它特性的理解。

Tulika Bose、Philip Burrows和Tara Shears与 Michael Banks 谈论 2012 年发现希格斯玻色子，以及下一个大型粒子对撞机将如何加深我们对它特性的理解。

2012 年，日内瓦附近的欧洲核子研究中心粒子物理实验室发现希格斯玻色子，十多年后，高能物理学正处在十字路口。大型强子对撞机 (LHC) 目前正在进行一项耗资 11 亿英镑的重大升级，升级为高亮度 LHC (HL-LHC)，粒子物理学家面临的问题是，如果我们要以前所未有的细节研究希格斯玻色子，以期揭示新物理学，下一步应该建造什么机器——以及在哪里建造。

目前已有多种设计，其中一种是欧洲核子研究中心的巨型对撞机，周长 91 公里，被称为未来环形对撞机(FCC)。但新技术也为这种大型机器提供了诱人的替代方案，尤其是μ 子对撞机。今年是欧洲核子研究中心成立 70 周年，迈克尔·班克斯 (Michael Banks) 与威斯康星大学麦迪逊分校的图利卡·博斯 (Tulika Bose)、牛津大学的菲利普·伯罗斯 (Philip Burrows)和利物浦大学的塔拉·希尔斯 (Tara Shears)讨论了有关希格斯玻色子的最新研究、HL-LHC 可能发现的东西以及下一代大型粒子对撞机的一系列提案。

自 2012 年发现希格斯玻色子以来，我们对它有了哪些了解？

图利卡·博斯 (TB)：过去十年，我们一直在研究的问题是，它是“标准模型”希格斯玻色子，还是希格斯玻色子的姐妹、表亲或兄弟。我们一直在努力通过测量其属性来确定它。目前我们只能说，它看起来像标准模型所预测的希格斯玻色子。然而，我们仍然有很多问题不知道。它会衰变成更奇特的东西吗？它如何与标准模型中的所有其他粒子相互作用？虽然我们已经了解了其中一些相互作用，但仍有许多粒子与希格斯玻色子的相互作用我们不太了解。当然，还有一个悬而未决的大问题，即希格斯玻色子如何与自身相互作用？它会吗？如果会，它的相互作用强度是多少？这些是我们目前在 LHC 上试图回答的一些令人兴奋的问题。

那么粒子物理学的标准模型仍然有效吗？

TB：我们还没有看到任何未曾预测过的奇异现象，这说明我们需要研究不同的能量尺度。这是一种可能性——我们只需要更高的能量。另一种选择是我们一直在标准的地方寻找。也许有一些我们尚未探测到的粒子与希格斯粒子的结合非常微弱。

大型强子对撞机 (LHC) 未能发现希格斯粒子以外的粒子，这令人失望吗？

塔拉·希尔斯 (TS)：一点也不。希格斯粒子本身就是我们完成对标准模型的描绘和理解的一大进步，当然，前提是它是一个标准模型希格斯粒子。除了希格斯粒子之外，我们还学到了很多东西，比如了解其他粒子的行为，如物质和反物质魅力夸克之间的差异。

HL-LHC 将如何推动我们对希格斯粒子的进一步理解？

TS：了解希格斯粒子的一种方法是收集大量数据来寻找非常罕见的过程，而这正是 HL-LHC 真正发挥作用的地方。它将使我们能够将这些研究扩展到我们迄今为止能够研究的粒子之外，首次观察到希格斯粒子如何与较轻的粒子（如μ子）相互作用，以及希格斯粒子如何与自身相互作用。我们希望在 HL-LHC 上看到这一点。

耗资 11 亿英镑的 HL-LHC 升级涉及哪些内容？

菲利普·伯罗斯 (PB)：LHC 加速器长 27 公里，其中约 90% 不会受到影响。升级的最关键方面之一是更换两个大型实验 ATLAS 和 CMS 的最终聚焦系统中的磁铁。这些磁铁将接收入射光束，然后将其聚焦到横截面积为 10 微米量级的非常小的尺寸。此次升级包括安装全新的先进铌锡 (Nb 3 Sn) 超导聚焦磁铁。

该项目的当前状态如何？

PB：计划包括关闭 LHC 大约三到四年，以安装高亮度升级，然后在 2020 年末启动。CERN 目前的计划是 HL-LHC 运行到 2041 年底。因此，这台升级后的对撞机还要运行 10 多年，谁知道会有什么令人兴奋的发现呢。

TS：关于成本，需要考虑的一件事是使用时间很长，因此从科学开发的角度来看，这是一项对未来相当长一段时间的投资。这也是一项对潜在衍生技术的投资。

HL-LHC 在哪些方面比 LHC 更好？

PB：加速器性能的衡量标准通常是亮度，它被定义为每平方厘米每秒在这些碰撞点上穿过的粒子数。在 LHC 中，这个数字大约是 10 34。然而，随着高亮度升级，我们谈论的是在未来十年左右收集的总数据样本大约增加一个数量级。换句话说，到目前为止，我们只收集了总数据样本的 10% 左右。升级后，将再收集 10 倍的数据，从可进行的测量的统计准确性以及新物理学的灵敏度和范围来看，这是一个全新的局面。

除了 HL-LHC 之外，粒子物理学家似乎一致认为下一个粒子对撞机应该是希格斯工厂——但它会涉及什么呢？

TB：即使 HL-LHC 完工，我们仍无法在 LHC 上完成某些任务，原因有几个。首先，LHC 是一台质子-质子机器，当你碰撞质子时，与电子和正电子之间的干净碰撞相比，最终会处于一个相当混乱的环境，这让你能够进行某些在 LHC 上无法进行的测量。

那么，你可以利用希格斯工厂进行哪些测量呢？

TS：一是要找出希格斯粒子与电子的耦合程度。我们不可能通过 HL-LHC 找到答案，因为这个过程太过罕见，无法测量，但有了希格斯工厂，这便成为可能。这很重要，不是因为它像集邮一样重要，而是因为了解电子（希格斯玻色子负责）的质量为何具有特定值，对于我们理解原子的大小至关重要，而原子的大小是化学和材料科学的基础。

PB：虽然我们经常将这台未来的机器称为希格斯工厂，但它的用途远不止制造希格斯玻色子。例如，如果你在更高的能量下运行它，你可以制造顶夸克和反顶夸克对。我们迫切希望了解顶夸克，因为它是我们所知的最重的基本粒子——它大约比质子重

180 倍。你也可以在较低的能量下运行希格斯工厂，并对 Z 和 W 玻色子进行更精确的测量。所以它真的不仅仅是一个希格斯工厂。有些人说它是“希格斯和电弱玻色子工厂”，但这不太好理解。

虽然似乎对希格斯工厂已经达成了共识，但似乎并没有关于建造线性或圆形机器的共识？

PB：目前主要有两种设计方案——环形和线性。线性对撞机的设计初衷是为了解决将电子和正电子以圆形方式发射的问题——它们会辐射光子。因此，在环形对撞机中，当能量增加时，电子和正电子会以同步辐射的形式辐射出能量。早在 20 世纪 90 年代末，人们就认为环形电子-正电子对撞机的末日已经来临，因为同步辐射存在局限性。但发现的希格斯玻色子的能量为 125 GeV，比一些人预测的要轻。这意味着电子-正电子对撞机只需要约 250 GeV 的质心能量。环形电子-正电子对撞机随后又重新流行起来。

TS：线性对撞机的缺点是，光束的再循环方式与圆形对撞机不同。相反，你只能“发射”，因此很难在线性对撞机中达到相同的数据量。但事实证明，这两种解决方案确实相互竞争，这就是为什么它们仍然在讨论中。

PB：是的，虽然环形机器可能有两个甚至四个主探测器，但线性机器的光束一次只能发送到一个探测器。因此，拥有两个探测器意味着您必须共享亮度，因此每个探测器名义上都会获得一半的数据。但以汽车为例，这有点像争论劳斯莱斯和宾利的优劣。线性和圆形都是绝对出色的选择，有些在这里有花哨的东西，有些在那里有花哨的东西，但你真正争论的是细节。

CERN 似乎已全力支持未来环形对撞机 (FCC) — 一个周长 91 公里的巨型环形对撞机，将耗资 120 亿英镑。这背后的想法是什么？

TS：其成本约为英吉利海峡隧道的 1.5 倍，因此它确实是一项重大的基础设施。但请记住，该设施将在本世纪剩余时间内用于未来的物理学研究，因此在谈论成本时，您必须考虑到其使用寿命。

TB：我认为环形对撞机之所以受欢迎，是因为它被视为迈向 100 TeV 质子对撞机的垫脚石，该对撞机将使用相同的基础设施和相同的大型隧道，并在 2070 年代希格斯工厂元件之后开始运行。这将使我们能够真正确定希格斯粒子与自身的相互作用，它也将成为终极发现机器，例如，使我们能够发现 30-40 TeV 规模的粒子。

这种潜在的质子机器需要什么样的技术？

PB：最大的问题是磁铁，因为你必须制造非常强大的弯曲磁铁，才能让质子沿着 91 公里的圆周轨道运行。LHC 的磁铁是 8 T，但有些人认为 FCC 的质子版本所需的磁铁将是 16-20 T。这确实突破了磁铁技术的界限。今天，没有人真正知道如何制造这样的磁铁。世界各地正在进行大规模的研发工作，人们不断取得进展。但这是技术上最大的不确定性。然而，如果我们首先遵循电子-正电子对撞机的模型，然后是质子-质子机，那么我们将有几十年的时间来掌握磁铁技术。

至于新技术，颇具影响力的美国粒子物理项目优先小组（P5）呼吁对μ子对撞机进行更多研究，称其为“我们的μ子计划”。这将涉及哪些方面？

TB：是的，我参加了去年年底发表的一份报告的 P5 小组，该报告为美国粒子物理学未来 20 年的行动方针提出了建议。其中一项建议涉及对 μ 子对撞机进行更多研究和开发。正如我们已经讨论过的，圆形配置的电子-正电子对撞机受到大量同步辐射的影响。问题是我们是否可以改用比电子更重的基本粒子。在这种情况下，μ 子对撞机可以提供两全其美的优势，既具有电子机器在清洁碰撞方面的优势，又能像质子机器一样达到更大的能量。然而，挑战在于 μ 子非常不稳定并且衰变很快。这意味着你必须在

它们衰变之前创造、聚焦和碰撞它们。未来几十年需要大量的研发，但也许可以在 2050 年代决定是否继续推进。

而且，如果建成的话，它有可能需要一条与现有 LHC 大小相似的隧道吗？

TB：是的。μ 子对撞机的优点在于，它不需要长达 90 公里的大型隧道，因此它实际上可以安装在现有的费米实验室园区内。也许我们需要以全球视角来考虑这个项目，因为这必须是一项巨大的全球合作努力。但无论结果如何，未来都是激动人心的。

来源：科学研习社