歐洲大型強子對撞機“強勢升級” 亮度提升5到10倍

當地時間8月1日，歐洲核子研究中心（CERN）官網刊文透露，大型強子對撞機（LHC）的下一代“繼任者”——高亮度大型強子對撞機項目的升級工作正在進行。

高亮度LHC項目預計從2026年正式開始運行，其亮度將比LHC提升5到10倍，從而提升LHC的性能。

據CERN官網介紹，2013年，高亮度LHC項目被歐洲粒子物理戰略列為首要優先項目。按照目前CERN的預算，從2015年到2026年期間，高亮度LHC的設備預算是9.5億瑞士法郎，摺合人民幣約67億元。

數據採集能力將提升數倍

“對撞機的亮度是指，兩個束團發生對撞，每秒每平方釐米粒子發生對撞的數量。”中科院高能物理研究所研究員、環形正負電子對撞機（CEPC）加速器負責人高傑接受科技日報記者採訪時介紹。

除了質心對撞能量，亮度也是對撞機性能的重要指標之一。

華中師範大學物理科學與技術學院教授、LHCb中國組成員謝躍紅告訴科技日報記者，亮度提升意味着在相同條件下、同樣時間裏發生的質子-質子反應次數增加，因而能夠提供更多的實驗數據用於物理研究。

“如果LHC的亮度提高5到10倍，那麼原則上高亮度LHC的數據採集能力也需提升5到10倍。”高傑告訴科技日報記者。

高傑分析，高能實驗物理依賴實驗數據高速採集和海量存儲，實驗物理學家需要採集到足夠的實驗數據量並對相關物理現象進行分析、研究並與理論預期結果進行比較。亮度提高而引起的實驗數據量的大幅增長，意味着LHC目前沒辦法開展的很多研究，未來將能夠在高亮度LHC上進行，儘管高亮度LHC的對撞能量與LHC相同。

“配合相應的探測器升級，高亮度LHC將極大提升新科學發現的潛力。”謝躍紅介紹，為達到亮度提升的目標，高亮度LHC將在低温超導、真空、束流控制等方面採用大量先進技術，壓縮對撞點束團尺寸以提高對撞束團密度。

據CERN官網透露，高亮度LHC項目於2018年4月正式開始工程建設。目前高亮度LHC項目施工地點包括LHC1號實驗點和5號實驗點，分別位於瑞士的梅漢和法國的塞希。

精細測量“上帝粒子”是任務之一

“高亮度LHC產生的海量數據將為多個研究領域帶來巨大機遇，甚至有可能取得新的發現，其中包括超標準模型新粒子和新相互作用的尋找、電弱物理的精確測量、希格斯粒子性質的研究、正反物質不對稱性的研究、強子結構和性質研究等。”謝躍紅告訴科技日報記者。

以有着“上帝粒子”之稱的希格斯粒子為例，謝躍紅介紹，繼2012年科學家在LHC上發現希格斯粒子後，利用高亮度LHC來繼續研究希格斯粒子的性質和尋找超標準模型新物理成為順理成章的選擇。

據CERN官網介紹，2017年LHC通過質子-質子對撞產生了大約300萬個希格斯粒子。而高亮度LHC預計每年將產生至少1500萬個希格斯粒子。

“發現‘上帝粒子’，只是開始，而不是結束。”高傑解釋説，希格斯粒子是標準模型中唯一可以和宇宙內一切有質量的物質進行反應的粒子，其中既包括物質粒子，也包括暗物質。因此，精細測量希格斯粒子有助於精確研究物質深層次結構，也有可能成為發現暗物質世界的重要窗口和途徑。

高傑告訴科技日報記者，國際上提出的其他下一代大型對撞機項目包括由中國物理學家提出的CEPC、日本政府正積極爭取的國際直線對撞機（ILC）項目及CERN規劃中的未來環形對撞機（FCCee）。在這些項目建成以前，高亮度LHC仍將是高能物理研究領域的重要研究工具和平台。

談到中國科學家所參與的LHCb國際合作實驗，謝躍紅介紹，高亮度LHC時代的LHCb實驗對檢驗標準模型和間接尋找新物理具有極其重要的作用，同時還將為深入研究強子結構和強相互作用性質提供巨大機遇。