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为了研究宇宙中一些最微小的事务，粒子物理学家使用了地球上一些最大的实验设备，但周长约为17英里的大型强子对撞机并不适合放在实验室的工作台上，且研究人员建造这些项目的时间和资金都很有限?？悸堑秸庖荒勘?，2023年粒子物理项目优先化小组（简称P5）发布了一份报告，概述了美国未来十年粒子物理研究支出的长期战略。

该报告中最具前瞻性的建议之一，是投资研发“一个10TeV的动量中心......对撞机，在前所未有的能量寻找新物理学的直接证据和量子印记”。

在粒子加速器中，“10TeV”是能量的量度，而“parton动量中心”指的是加速器内夸克或轻子等基本粒子碰撞时的能量。例如，一个10TeV的pCM对撞机相当于一个100TeV的质子对撞机，因为质子是复合粒子，质子的每个成分都携带了总能量的1/10。

粒子碰撞中的能量越高，碰撞产生的粒子种类就越多。目前能量最高的对撞机是大型强子对撞机，它是一个13TeV的质子对撞机，这意味着它的最大质子动量中心能量约为1到2TeV。

“10TeV对撞机能让我们在受控的实验室环境中达到真正的高能量尺度。”SLAC的早期职业科学家茱莉亚·贡斯基（Julia Gonski）说，她参与了P5的社区规划过程。她认为最简单的描述方式就是——“这是我们的发现机器”。

这样的一台发现机器将是2040年或更久远的物理学项目，将在大型强子对撞机高亮度升级之后很久才上线，而高亮度升级已经在进行之中。这台为深入研究希格斯玻色子而设计的对撞机，可以在委员会近期最优先考虑的项目之一后建造，也可以与之同步建造。如欧洲核子研究中心拟建的未来环形对撞机或日本拟建的国际直线对撞机。它将使用目前尚不存在的尖端技术。

这就是为什么物理学家们希望现在就为此制定计划。要建造未来的发现机器，研究人员必须在当下开发新的技术。

P5报告建议推进加速器的研发工作，以达到三种可能达到所需能量范围的对撞机类型：质子-质子对撞机、μ介子对撞机或离子体-尾流场对撞机。报告指出，“这三种技术都具有不同的特点，必须进一步开发”。

1.质子-质子对撞机

未来的质子-质子对撞机将使用与现有环形对撞机类似的技术，该技术可以将粒子加速到长距离越来越高的能量。但是为了达到10TeV的质心，这样的对撞机需要在100TeV的质子碰撞下运行。它将比大型强子对撞机更长，需要比现有磁铁更强大但更便宜的磁铁。

欧洲核子研究中心（CERN）在其FCC计划中提出了这样一个质子-质子加速器的方案。欧洲核子研究中心对FCC的可行性研究已经进行了三年，该计划设想建造一条周长90.7公里（约5 英里）的地下隧道。

欧洲核子研究中心将FCC的第一阶段称为   “FCC-ee”，以表示FCC最初将碰撞电子和正电子束。这些粒子被归类为轻子，是几乎无质量的点状粒子，而质子则是质量更大的复合粒子。轻子碰撞更干净，有利于物理学家设想的希格斯工厂的精确研究。但在同一个圆形隧道中，质子可以被加速到比轻子更高的能量。

这就是为什么欧洲核子研究中心建议重新利用FCC-ee的隧道来建造后续的质子-质子对撞机FCC-hh（“h”代表强子）。建造FCC-ee是一项重大挑战，但建造FCC-hh将是一项更大的挑战。要以100TeV的目标质心能量加速环中的质子，需要使用先进的超导磁体来产生巨大的磁场。正如P5报告所解释的，FCC-hh“设计所需的磁铁技术目前已超越了最先进的水平。要生产出符合必要规格的磁体，一项长达数十年的国际研发计划是必不可少的”。

“美国已经通过由OHEP支持的“美国磁体开发计划 ”和由NSF支持的“国家高磁场实验室”参与了这方面的工作。

2.μ介子对撞机

P5报告设想另一种可能是在美国建造μ介子对撞机。

对电子等带电粒子进行环形加速的挑战之一是它们会发出辐射，在运动过程中损失能量。而μ介子比电子重得多，因此它们从辐射中损失的能量可以忽略不计。这意味着圆形μ介子对撞机可以比电子对撞机更小，但却能达到相同的能量。

建造这样一台对撞机的想法可能至少从1960年就已经出现了。SLAC美国国家加速器实验室教授、P5成员托尔·劳本海默（Tor Raubenheimer）曾表示，问题在于“我们不知道怎么去做”。

然而，在过去的几十年里，美国和欧洲的科学家们一直在研究这个设想，许多人认为这个领域已经快要清晰明了了。劳本海默说：“有许多复杂的系统都必须协同工作，但每个单独的部分看起来都有可能做到。”

美国费米国家加速器实验室现有的加速器综合体已经在研发这样一台对撞机。P5报告指出，在本世纪之前，这项研发工作和工程设计工作将为示范设施提供一个完全计算成本的概念设计，未来的专家小组可以考虑建造该设施。

3.离子体-尾流场对撞机

与μ介子对撞机类似，离子体-尾流场对撞机也是一个很有吸引力的选择，因为它具有在较小的占地面积内实现较大加速度的潜力。

FCC-hh和μ介子对撞机都将使用现有的射频技术。在这种加速器中，粒子穿过一根长长的空心管子，被分隔成带电的射频腔。在每个带电空腔中，粒子都会受到加速冲击。粒子移动得越远，能量就越大。

另一方面，在离子体-尾流场加速器中，粒子将穿过等离子体，这是一种由带正电和带负电的粒子组成的物质状态。它们会从精心生成的尾流中接收加速，这是一种流经等离子体的电磁波。

离子体-尾流场加速可以由激光或电子、正电子或质子束驱动。到目前为止，所有这些方案都在争论之中，因为该领域正在努力开发一种一致、有效、高效的粒子加速方法。

“离子体-尾流场加速器面临的挑战实际上是稳定性和保持光束质量的能力，以及光束参数的一致性。”劳本海默说：“我们需要做大量的工作，努力找出如何使系统正常工作，以及如何设计一个能将所有部件组合在一起的系统。”

后续计划

P5专家小组不希望美国粒子物理学界要等到下一个社区规划过程（可能是十年后）才能采取下一步措施，建造未来的10TeV粒子质心对撞机。这也是报告建议召集一个新的专家小组的原因之一，或许在周期中段左右，启动包括测试和演示设施在内的项目，以实现未来对撞机的目标。

“即使研究界决定放弃某项技术，到那时为止的研发工作也将促进我们对粒子加速的理解。“美国劳伦斯伯克利国家实验室加速器技术与应用物理部主任、P5项目成员卡梅伦·格迪斯（Cameron Geddes）说：“我们在加速技术方面取得了令人兴奋的进展，这使我们能够满足粒子物理的需求，同时也对广泛的科学产生影响。“

这项工作不会只在美国进行。P5报告建议与世界各地的研究人员合作开展这项研发工作。

贡斯基认为，P5目标是让全球研究人员更充分地参与国际基础研究工作的机会，尤其是在过去没有参与的地区?！氨热缰卸头侵?，我认为这些地方在天才方面是巨大的前沿阵地，新人可以介入其中，使这些崇高的目标得以实现。“

她表示，物理学界很可能至少在几十年内无法实现这些目标，但这并不影响她为之奋斗的兴趣。她说：“这是一个谦卑的提醒，我们都只是一台巨大机器的一部分，正在做着这项令人难以置信的工作——认识宇宙是如何运行的。“

来源 | 《Symmetry》期刊官网

编译 | ?槟榔郭