高能物理學的“盛宴”是否已過？_風聞

來源：微信公眾號“中科院高能所”

撰文 | 陳繕真 意大利核物理研究院

4月29日，楊振寧先生在中國科學院大學“明德講堂”演講，這位97歲的物理學大咖再一次明確的反對了未來利用大對撞機進行物理研究，甚至是高能物理學的前景。 

“The party is over.” 

“盛宴已過。”楊先生説。

然而，楊先生口中的高能物理學的“盛宴”，是否真的已過了呢？而什麼是“高能物理學”，什麼又是高能物理學家們心心念唸的對撞機呢？

高能物理學在研究什麼？什麼是對撞機？

在二十世紀之前，人類對於世界的運行規律的認知幾乎都只停留在宏觀物體和現象上。然而在十九世紀最後的幾年，從倫琴發現了X射線，J. J. 湯姆孫發現電子，盧瑟福發現了α射線和β射線等實驗開始，物理學家們開始專注於微觀世界的物理現象。特別是二十世紀二十年代，量子力學的建立之後，物理學家們逐漸意識到，在微觀的尺度上，存在着一個跟宏觀很不一樣的世界。這個世界的尺度如此之小，以至於物理學界們不得不借助一些特殊的實驗儀器來觀測其中的現象。

早期的粒子物理學研究儀器的作用通常是將微觀尺度的現象放大至宏觀尺度，然後再進行觀測。這時期一個重要的實驗儀器就是威爾遜發明的雲室。雲室是一種充滿了過飽和蒸汽的密封空間，當微觀帶電粒子穿過雲室時，粒子會與雲室內的混合物相互作用，將其中的一些原子電離，而電離後的離子會成為雲室內的過飽和蒸汽的凝結核，從而在微觀帶電粒子運行的軌跡周圍形成霧氣，進而可以被肉眼觀測到。早期的粒子物理的研究目標通常都是些天然放射源以及宇宙線。1932年，安德森就是在雲室中第一次發現了來自宇宙線的正電子。

筆者拍攝的位於歐洲核子研究中心（CERN）Microcosm展覽廳中的雲室。雲室中充滿了過飽和蒸汽，並顯現了數條微觀粒子的運動徑跡。這些微觀粒子來自於土壤，岩石，水，空氣等的自然輻射，以及宇宙中的宇宙線。這些徑跡的粗細長短可以用來區分不同的微觀粒子。

安德森觀測到的正電子在雲室中留下的軌跡的照片。正電子從下往上運動，在磁場中穿過一層薄薄的鉛板之後，改變了軌跡彎曲的曲率。軌跡彎曲的方向表明，正電子與正常電子所帶的電荷相反。（圖片來源：Physical Review 43 (6): 491–494）

當年對天然放射源以及宇宙線的研究雖然可行，並且得出了很多重要的成果，但通常來説這一類研究的目標都不怎麼可控，粒子物理學家等到一個完美的宇宙線的事件通常要有一些運氣，基本屬於“靠天吃飯”。在二十世紀三十年代前後，為了更好的控制觀測對象，一個更加強大的粒子物理的研究工具被髮明瞭出來，它就是勞倫斯發明的迴旋粒子加速器。迴旋加速器的基本結構是兩個處於磁場中的半圓D型盒，以及D型盒之間的交流電場，兩個半圓D型盒上則施加有可以使帶電粒子偏轉的磁場。位於迴旋加速器的中心處放置有一個粒子源，其發射出的帶電粒子受到電場的作用被加速，在進入半圓D型盒的磁場中時，則被磁場所偏轉反向，並再次進入D型盒之間的交流電場。若時間調整合適，此時交流電場的方向正好可以翻轉，帶電粒子則再一次被加速。如此往復很多次，帶電粒子就會被加速至帶有較高的能量。

勞倫斯在1930年左右於加州大學伯克利分校製作的的第一個迴旋粒子加速器。（圖片來源：美國勞倫斯伯克利國家實驗室）

勞倫斯發明的迴旋粒子加速器的工作原理（圖片來源： U.S. Patent 1,948,384，Ernest O. Lawrence -- Method and apparatus for the acceleration of ions (1934)）

迴旋粒子加速器使得人類能夠可控的獲得了帶有較高能量的微觀帶電粒子，進而可以更準確的研究這些粒子的性質。然而由於相對論效應，高能量的粒子的迴旋週期會隨能量的增高而發生改變。於是科學家們將回旋粒子加速器的均勻磁場以及電場變化頻率也做了調整，使之能夠最大程度的使帶電粒子獲得能量。這種電場及磁場可控的粒子加速器叫做同步加速器。同時改變電場和磁場，也使得帶電粒子在加速的時候不必須經歷一個變化的半徑，因此，同步加速器可以被做成環形。

環形加速器的結構可以持續地將粒子加速，粒子會重複經過環形軌道上的同一點。但是這一種加速器也有一個缺點，那就是在很高的能量的情況下，粒子的能量會以一種叫做同步輻射方式被髮散出去，並達到一個極限。想要繼續提高能量，就只能增強磁場並增大環的周長。然而這種對於粒子物理學來説是浪費能量的同步輻射並非一無是處，它會以一種高能量，高純淨度，高準直的電磁波的形式被髮散出去，而這種電磁波則可以用作衍射分析，也早已被廣泛的應用在了材料學、結構生物學等學科的研究中。

筆者拍攝於CERN的同步迴旋加速器。建成於1957年的它曾是CERN的第一個加速器，能夠將粒子加速到600兆電子伏特的能量。現在早已退役的它被安置於一個頗具蒸汽朋克感的展廳中，與眾多半個世紀前的研究用儀器和物品一起展示着CERN的歷史。

另一種加速帶電粒子的方式是利用直線加速器，直線加速器不存在同步輻射的問題，但是粒子不能被重複加速，相同時間內能夠被加速的粒子數通常會遠小於環形加速器，並且通常加速器需要被做的很長。雖然直線加速器這個名詞看起來可能會有些陌生，但是其實這種脱胎於粒子物理研究的儀器早就走進過人們的生活。年紀稍微大一點的人，很多都接觸過直線加速器，那就是以前電視機和計算機顯示器中的陰極射線管。陰極射線管顯示器就是利用陰極電子槍發射電子，在陽極高壓的作用下進行加速並射向屏幕，同時電子束在偏轉磁場的作用下，快速的進行上下左右的移動並掃描整個屏幕。屏幕中的螢光粉在電子的作用下發光，從而達到顯示圖像的目的。

彩色陰極射線管的剖面圖: 1. 電子槍2. 電子束 3. 聚焦線圈 4. 偏向線圈 5. 陽極接點 6. 電子束遮罩區隔顏色區域 7. 螢光幕分別有紅綠藍螢光劑分區塗布 8. 彩色螢光幕內側的放大圖（圖片來源：維基百科：陰極射線管）

由於相對論效應，想要研究更精細的結構，就必須獲得更高的能量。有了加速器這樣一個研究利器，粒子物理學家們就可以達到前所未有的可控的高能量，於是粒子物理學的主要研究方式就變成了利用高能粒子加速器進行研究。因此，粒子物理學現在也被稱為高能物理學。

早期的加速器主要用來加速的帶電粒子並轟擊原子靶，進而對轟擊產物進行統計分析。丁肇中在發現1974年發現J粒子（後來被稱為J/ψ粒子）的實驗就是利用加速的質子束轟擊鈹靶，並分析其產物的分佈而完成的。隨着粒子物理實驗的進展，粒子物理的理論得到了蓬勃的發展。一些能量更高的粒子被預言，而想要產生這些粒子，需要建設更高能量的實驗設備。並且，利用被加速的粒子束來轟擊固定靶的實驗形式將絕大多數的能量浪費在了轟擊產物的動能上，於是，實驗物理學家們開發了另一種節約能量的辦法：加速兩束相反方向的粒子，讓他們在極小的空間內對撞。而這，就是目前粒子物理學研究的終極武器，對撞機。

**個人英雄主義的盛宴？合作精神的盛宴？**歷史講起來總比當年的探索容易。對撞機的發展逐漸遠遠超出的幾個人單打獨鬥就能解決的範疇。想要讓兩束微觀粒子對撞，則必須讓接近光速運動的粒子束流控制在納米級的精度之內。而這，則需要極高精度的控制系統，極高強度，極高精度的磁場，以及高極效率，極高精度的探測系統。而這一套系統的搭建，則需要各個領域的專業人士。由於實驗獲得的數據的統計量也呈幾何級數般增長，這些數據也需要大量的專業人士來進行分析。實驗高能物理學大型國際合作組的雛形就在那個年代出現。

ATLAS實驗（CERN的一個粒子物理實驗）國際合作組的成員的國籍分佈。ATLAS實驗有着來自103個國家的5500多名科研人員，世界上的大多數的國家都有科研人員為這一個國際合作實驗做貢獻。（圖片來源：CERN）

楊振寧在物理學界活躍的年代在半個多世紀前。也就是那個年代的物理學家們親手栽下了粒子物理學這一棵樹苗。在那個粒子物理學起步的年代，確實湧現出了很多先驅和孤膽英雄，他們帶來了創新，帶來了發展，為粒子物理學這一棵樹苗帶來了甘霖雨露。當年的粒子物理學理論正在成立之初，在茫茫未知領域憑藉個人能力常常就能領略到驚鴻一瞥。當年的粒子物理學實驗也通常只需要幾個人就可以完成。比如吳健雄女士證實李政道與楊振寧宇稱不守恆猜想的實驗的文章只有五位作者，丁肇中發現J粒子的文章也只有14位作者。

而如今的粒子物理學已經發展成一株參天大樹，一株個人英雄主義已無法撼動的大樹。信息互聯使得大型合作成為可能，研究進展的速度也今非昔比。憑藉團隊合作，一些半個世紀前被視為難以企及的理論的驗證逐漸變得可以實現，

而一些半個世紀前難以想象的實驗儀器也逐漸成為現實。1964年，為解決基本粒子質量起源的問題，數位物理學家提出了叫做希格斯機制的猜想。這個猜想固然驚豔，然而，得不到實驗驗證的猜想終究只能是猜想。二十一世紀，為了驗證包括希格斯機制在內的幾十上百個理論，實驗粒子物理學家就建造了人類歷史上最大的實驗儀器，周長達到27公里，極具科幻感的的大型強子對撞機（LHC）以及相應的探測器，並在其正式投入運行後的第二年（2012年）證實了希格斯粒子的存在，為當時仍然在世的希格斯機制的提出者弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯帶來了2013年的諾貝爾物理學獎。

安裝中的大型強子對撞機（LHC）上的四個主要的探測器。它們分別是ATLAS（左上），ALICE（右上），CMS（左下），LHCb（右下）。（圖片來源：CERN）

然而希格斯粒子的發現，就是這個領域的研究的終結嗎？遠遠不是的。希格斯機制是被證實了，然而超對稱，暗物質，電荷—宇稱不守恆等等問題依然還未被解決，LHC在發現了希格斯粒子之後仍然有二十多年的運行計劃，並會經歷數次升級。這期間科學家們將在LHC繼續他們的探索。

一個學科的萌芽狀態往往是孤膽英雄大顯神通的時候，然而當這個學科發展到系統化規範化的時候，往往就需要更有力的團隊協作。現在大飛機的設計不再能只靠萊特兄弟，計算機技術的創新也早已難以僅靠兩三人從車庫中萌芽，而航天科技，人類基因組計劃等宏大的項目，也都需要千萬人的共同協作。在這個年代，個人英雄已不再那麼重要，因為合作使得很多科研探索實驗成為了英雄集結的“聚義廳”。 從這種意義來説個人英雄主義的“盛宴”確實已過。然而，對於全球範圍的科學合作來説，觴宴卻在正酣時！

未來應何去何從？

那麼，LHC之後的高能物理學將何去何從呢？由於目前的LHC的侷限性，即便是希格斯粒子，對高能物理學家們來説，也仍有着太多的未知等待着被揭示。為了更細緻的研究希格斯粒子以及其他一些物理理論，各國粒子物理學家們都提出了建設下一代對撞機的構想。這其中就包括中國提出的CEPC計劃，日本想要承接的ILC計劃，以及歐洲的FCC-ee計劃。這些計劃雖然各有千秋，但是卻都有一個共同點，那就是都為希格斯粒子的產生進行的參數優化，都可以精細的研究希格斯粒子的各種性質，它們都可以被稱為“希格斯工廠”。

然而，為何在發現了希格斯粒子之後，仍然要對它進行研究呢？這個問題可以類比一下人類對冥王星的探索歷程。

1994年和2018年人類所認知的冥王星的對比圖。左圖來自哈勃空間望遠鏡，右圖來自新視野號航天器。（圖片來源：NASA）

上面是1994年和2018年人類所認知的冥王星的對比圖。1994年，人類通過哈勃空間望遠鏡拍攝到的冥王星已經達到了地球上人類對其認知的最高的分辨率，而2018年視野號航天器飛臨冥王星，則為人類第一次帶來了它的高清圖。

冥王星可是1930年就已經被人類發現了啊，當時幾個像素的圖像也能表明它是一個圍繞太陽運動的行星，為什麼人類還要繼續對它探索呢？為什麼到了21世紀，人類還要發射新視野號這樣的航天器，並花十幾年的時間，把它送去冥王星的附近呢？

因為我們不瞭解冥王星，因為我們想去了解它。

現在我們已經知道了冥王星的質量，軌道傾角，離心率，拍了高分辨率的照片，甚至瞭解了它的成分組成，但是人類的求知慾是不會被填滿的。新視野號探測器這兩年發現，冥王星地底下可能有由半融化水冰而成的海洋，這意味着冥王星地底可能有熱源存在。這不是宣佈了對冥王星研究的結束，而是給下一步對冥王星的研究指明瞭方向，開啓了更多的研究可能。

對於希格斯粒子的研究，也是類似的。

現在人類所認知的希格斯粒子，就像是1994年人類所認知的冥王星，只有上百個像素。而這上百個像素，已經足以指明一個未來研究進展的方向，而CEPC，ILC，FCC-ee，它們就是希格斯粒子的“新視野號”。它們遲早也會給人類畫出一張高清的希格斯粒子的圖像。

那麼，對於希格斯粒子的研究，能為人類的生活帶來什麼呢？

答案是，現在我們還不知道。

粒子物理的研究是數輩人從上上個世紀末開始到現在一脈相承的。 1897年發現電子，1919年發現質子，1932年發現中子和正電子，1937年發現μ子，1947年發現π和K介子，1956年發現電中微子，1974年發現J/ψ粒子，1975年發現τ子，1983年發現W、Z玻色子，1995年發現頂夸克，2012年發現Higgs玻色子，未來則一定還會發現新的東西。而1897年發現電子的時候，人們肯定也想不到如今的生活已經離開不了那麼多的電子器件（甚至都已經淘汰了很多，比如電視機的陰極射線顯像管）。1932年發現正電子的時候，當時的人肯定也想不到正電子發射計算機斷層顯像技術（PET-CT）可以在無創傷的情況下對人體進行早期腫瘤篩查，從而挽救了無數人的性命。1919年發現質子和1947年發現π介子的時候，人們依然無法預料到它們在半個世紀之後治療癌症的輻射療法中的應用潛力。

**粒子物理學的研究是超前於時代的，誰也不能保證，若干年後，這些看似高冷的研究成果會有怎樣的顛覆人類生活的應用。而對撞機則目前粒子物理研究是最有效的手段之一，對於這門學科的發展仍有着不可替代的作用。**所以，即使在中國對於是否應該建設下一代大型對撞機有着廣泛爭論的今天，即使是經費沒有到位的今天，實驗粒子物理學家們仍然在緊鑼密鼓的進行着下一代對撞機的預研工作。因為他們知道，這承載着人類對於這個宇宙運行規律的認知的未來。

**一個民族有一些仰望星空的人，他們才有希望。**或許楊先生曾是離當年星空最近的人，但是，前赴後繼的科研後輩們依然有仰望今時星空的權利，更何況，如今的星空比當年更璀璨。