美国粒子物理学界希望建造世界上第一台渺子对撞机

发布时间：2025-07-08 04:16:12 来源：雾鬓风鬟网 作者：热点

渺子（muon，美国渺对又称μ子）是粒物理学一种带有一个单位负电荷、自旋为1/2的界希界上基本粒子，与电子同属于轻子。望建以往研究发现，造世撞机渺子的第台质量大约是电子质量的206~207倍。由于渺子性质与电子相似，美国渺对我们可以将其想象成一个静止质量“加重版”的粒物理学电子。近年来，界希界上一些研究者提出了建造渺子加速器的望建设想，希望通过这种粒子的造世撞机碰撞，发现其他新的第台粒子。

似乎越来越多人支持在美国建造一台这样的美国渺对粒子对撞机。尽管渺子寿命较短的粒物理学特性——平均寿命为2.2微秒——使这种对撞机在技术上很难实现，但与其他竞争性的界希界上对撞机设计相比，这种对撞机更小，而且可能成本更低。当然，这一愿景还十分遥远，最早也要到21世纪40年代才能实现，但提出该设想的科学家表示，研发工作需要立即开始。

美国伊利诺斯州费米国家实验室的粒子物理学家卡莉·迪佩特里罗（Karri Di Petrillo）表示，这是一个“大胆而有前途的愿景”。世界各地的物理学家都在考虑建造这种对撞机的可行性，但如果能在美国建成，“对我们这一代物理学家而言将意味着一场变革”。

在不久前的斯诺马斯（Snowmass）高能物理会议期间，一些物理学家表达了对渺子对撞机的支持。斯诺马斯是美国粒子物理学界的一项重大活动，每七到十年举行一次，主要内容是提出未来几十年的科学远景并制定规划。今年斯诺马斯活动的尾声，是7月17日至26日于华盛顿州西雅图举行的一场研讨会。会议结束之后，组织者将数千名科学家的观点提炼成一份报告，描述该领域的主要问题以及解决这些问题所需的方法，这将最终影响美国联邦政府的资助。在报告的“能源前沿”部分中，几乎有三分之一的内容是关于渺子对撞机的。

希格斯粒子工厂

在建造渺子对撞机之前，一项重要的对撞机建造计划正在进行当中，这就是所谓的“希格斯粒子工厂”（Higgs factory）。欧洲、中国和日本都参与了这项计划，正在竞相建造大型对撞机，以研究基本粒子希格斯玻色子的精确细节。希格斯玻色子（俗称“上帝粒子”）与赋予粒子质量的场有关，于1964年在理论上被预言，2012年由欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）的实验加以确认。然而，LHC并没有如许多物理学家所期望的那样，发现其他新的粒子。有人认为，这可能超越了LHC的实验能力。

希格斯粒子工厂将把电子与其对应的反物质（正电子）放在一起，以接近光速的速度碰撞。这种碰撞比LHC中的质子-质子碰撞更“纯粹”，可以进行更精确的研究。相比之下，渺子对撞机将是一台“探索”机器，试图通过前所未有的能量碰撞来发现新的粒子，并阐明先前实验结果中出现差异的原因。

在加速时，渺子可以达到比电子更高的能量，因为它们在同步辐射时损失的能量更少。相比质子间的碰撞，渺子的碰撞还有一个很大的优势。质子的碰撞包括了组成粒子的夸克之间的碰撞，而每个夸克只携带整体碰撞能量的一小部分。由于渺子是基本粒子，因此其每次碰撞都涉及到粒子的全部能量。这意味着，一个工作能量为10万亿电子伏特（TeV）、长约10公里的渺子对撞机，可以产生与100万亿TeV、90公里长的质子对撞机能量相同的粒子。后者正是欧洲核子研究中心希望在本世纪下半叶建造的对撞机规模。

渺子对撞机的概念早在20世纪60年代就出现了，但直到最近几年，物理学家才开发出了可行的技术，用于处理渺子的多种怪异现象，包括容易衰变、容易产生背景噪声、难以诱导形成强粒子束等。明尼苏达大学的物理学家普里西拉•库什曼（Priscilla Cushman）表示，美国物理学家们现在之所以如此兴奋，是因为还有足够的时间来开发和建造这台对撞机，以在未来接替希格斯粒子工厂，而且有很多人正致力于这项事业。

费米实验室的粒子物理学家、斯诺马斯领导小组负责人乔尔·巴特勒（Joel Butler）表示，渺子对撞机是否会在美国建造，取决于资金、政治以及技术上的可行性。欧洲核子研究中心也在组织一项国际合作，研究渺子对撞机的可行性。他指出，对于所有摆在桌面上的对撞机选项，美国的物理学家们必须进行足够的研究和开发，“以便在必要的时候，能够以一种良好的方式做出选择”。

斯坦福大学的粒子物理学家卡特琳娜·韦尔涅里（Caterina Vernieri）表示，人们对渺子对撞机的热情，与对成本和可持续性的日益关注是一致的。她所在的团队提出了成本更低的希格斯粒子工厂设计，称为“冷铜对撞机”（Cool Copper Collider，简称C3），是在斯诺马斯中最近提出来的一个方案。

暗物质

未来的多种对撞机只是斯诺马斯远景规划的一小部分。在美国物理学界的近期计划中，他们将致力于从2026年开始对LHC进行高强度升级，这将产生10倍于之前的数据。他们还重申了在美国推进深层地下中微子实验DUNE的愿景。这是一项雄心勃勃的国际合作实验，旨在研究中微子的性质。DUNE安装有世界最强的中微子源和中微子探测器，二者横跨两地，相距约1300公里。此外，还有研究者认为，应该先批准“宇宙微波背景4阶段实验”（CMB-S4）计划，对宇宙微波背景辐射展开新的勘测。

科学家们还提出了一个跨学科的呼吁，希望通过广泛的已有设施来寻找暗物质。在过去的十年里，无论是设计用来寻找暗物质的大型探测器，还是大型强子对撞机，都未能发现暗物质的一种候选粒子——弱相互作用大质量粒子（WIMPs）。很显然，暗物质比物理学家以往想象的更加奇异。

奥地利格拉茨大学的暗物质物理学家库尔卡尼（Suchita Kulkarni）参加了斯诺马斯会议，他表示，物理学家希望寻找更轻的暗物质候选粒子，并在重新设计相关研究的过程中，更多地将暗物质视为一个整体，而不是单个粒子的存在。斯坦福大学的物理学家迈卡·布克（Micah Buuck）指出，寻找暗物质不仅需要一些高灵敏度的大型实验（比如那些正在寻找WIMPs的实验），也更多小规模的试验性实验。

政府层面的资助建议

来自世界各地的物理学家在长达两年的斯诺马斯活动期间提交了521篇论文，对此领导小组成员库什曼表示，这虽然“令人疲惫，但又很令人兴奋”。

关键时刻将在明年到来，届时美国联邦政府的粒子物理优先排序小组（简称P5）将利用斯诺马斯的结论——以及预算方面的考虑——向美国能源部和国家科学基金会等资助机构提交未来十年的资助建议。

相关文章