从万里长城到巨型对撞机_中国探索宇宙最深层奥秘的前景.pdf

CMYCMMYCYCMYK从长城到超级对撞机扉页.pdf 1 2016/1/25 10:31:57内 容 简 介对粒子物理标准模型中最后要素长达 48 年的搜寻，终以 2012 年希格斯玻色子的发现而告登峰造极。当人们还在欢庆这一巨大胜利之时，中国科学家已经开始了新的征程，他们将继续人类对自然界基本组元长达几个世纪的探索。具体而言，他们开始为建造一台巨型加速器做基本准备。这台机器周长可达100 千米，足以将物理学带入一片前所未及的高能领域，在这里将有可能发现大量新粒子及新的重要对称性。建造这样一台设备势在必行：即使标准模型能以惊人的精度描写基本粒子的行为，也仍然不完整，因为该理论无法解释宇宙大爆炸、万有引力、暗物质、暗能量等影响深远的现象。本书将向读者介绍，像中国提出的“巨型对撞机”这样一台具有雄心的机器如何能够提供关于宇宙及其基本组元之起源的更加完整透彻的理解。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据从万里长城到巨型对撞机：中国探索宇宙最深层奥秘的前景/（美）丘成桐，（美）纳迪斯著；鲜于中之，何红建译.北京：电子工业出版社，2016.4ISBN 978-7-121-28176-1.从 .丘 纳 鲜 何 .对撞机普及读物 .O572.21-49中国版本图书馆 CIP 数据核字(2016)第 029884 号责任编辑：白涛印刷：中国电影出版社印刷厂装订：中国电影出版社印刷厂出版发行：电子工业出版社北京市海淀区万寿路 173 信箱邮编：100036开本：7201000 1/16 印张：15.25 字数：200 千字版次：2016 年 4 月第 1 版印次：2016 年 4 月第 1 次印刷定价：89.00 元凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。献给为揭示从宏观到微观尺度自然定律而努力奋斗的物理学家们。献给全世界为支持这些努力并以自己的方式推动知识进步的人们。目录 推荐序 VII 中文版序言 XXI 前言 XXIII 前奏 新的万里长城 1 引言 集结号 7 第 1 章 击碎原子 15探索原子结构之谜 15探索基本粒子的新武器加速器 19神奇的反物质 24宇称破坏 27共振态与奇妙的夸克 30从新夸克到胶子与 QCD 35从规范对称性破缺到发现 W 和 Z 粒子 41标准模型的宏伟大厦 47 第 2 章 追踪希格斯 55希格斯机制与质量起源 55搜寻希格斯的历程 64发现神秘的希格斯粒子 73VI目录 第 3 章 超越标准模型 83标准模型的缺憾 83超对称 92额外维度与复合希格斯粒子 103新一代对撞机 106 第 4 章 中国在舞台中央 115CMB 观测与宇宙暴胀的遗迹 115锦屏地下实验室与暗物质探测 117阿尔法磁谱仪的太空使命 119大亚湾与 JUNO 中微子实验 122新中国高能物理的峥嵘岁月 132 第 5 章 为了全世界、属于全世界的加速器 155超越 LHC：CEPC-SPPC 计划 155未来对撞机探索新物理 162其他对撞机计划 169规划 CEPC 与 SPPC 的蓝图 172 第 6 章 最神奇的意外收获 185 后记 长城之下有何物 199 附录 LHC 安全吗？203 索引 207推荐序 1巨型对撞机自 2012 年在 CERN 发现希格斯玻色子以来，一批中国科学家就开始努力说服中国政府与公众在中国建造下一代高能对撞机。这批科学家由中国科学院高能物理研究所所长王贻芳领导，并得到菲尔兹奖得主丘成桐的支持。丘成桐与纳迪斯在本书中详尽阐述了，这些科学家怎样下定决心，他们现有的基础如何，以及他们取得政府支持并在万里长城东端与太平洋海岸毗邻区域实现这一梦想的机会如何。希格斯玻色子的发现是粒子物理学的转折点。它一方面完成了对标准理论的粒子谱的发现，使之成为迄今为止描述自然现象最为成功的理论。另一方面，它留下了一些有待回答的问题，比如：中微子质量的起源、在引力作用下聚集在星系周围的不发光物质（即“暗物质”），还有希格斯玻色子质量与量子引力尺度（即所谓普朗克质量）之间 17个数量级的悬殊差异。本书详细阐述了我们缘何确信标准理论只是一个更为完整结构的近似。这一结构将在更高的能量尺度以新粒子与新相互作用的形式展现出来，正如标准模型是法拉第与麦克斯韦的电动力学在更高能量尺度的完备实现。因此，我们需要将 CERN 的机器推向其高能极限，同时开始规划新机器和探索新的能量区域。VIII从万里长城到巨型对撞机中国探索宇宙最深层奥秘的前景迄今所有讨论过的方案都基于一种“原子粉碎机”的现代版，即由奥地利物理学家布鲁诺陶舍克（Bruno Touschek）于 20 世纪 60 年代在意大利首先研发的“对撞机”。两束粒子在一根高度真空的管道中被加速到很高能量后对头碰撞。这些粒子束可以是正负电子，如同陶舍克最初的设计；也可以是正反质子，这种方案由 CERN 最先设计出来，并被应用于费米实验室的 Tevatron；还可以完全是质子，就像 CERN 的大型强子对撞机那样。根据爱因斯坦的公式 m=E/c2，我们给予粒子束的所有能量在对撞过程中都可用来产生新粒子，从而使对撞机比老式的原子粉碎机强大得多。因为后者仅仅将高能粒子束射向固定靶，故而所产生粒子的质量仅仅正比于束流能量的平方根。这本书展望了建造一条大型环形隧道的设想。这条隧道将安装一台正负电子对撞机，之后再置入一台质子对撞机。至于其他项目，在日本建造一台正负电子直线对撞机（国际直线对撞机，ILC）的计划已经拿上台面。大约在高能所提出方案的同一时期，CERN 也开始研究未来环形对撞机（FCC）的可能性，其隧道将在日内瓦湖下面穿过，并延伸到日内瓦与阿尔卑斯山之间的区域。巨型对撞机的计划并非无中生有。过去 50 年里，在杰出华人物理学家、诺贝尔奖得主李政道、杨振宁和丁肇中的激励下，中国物理学取得巨大进步。本书对此做了引人入胜的记述。如今，中国粒子物理的中心位于北京的高能物理研究所。它最初由张文裕创建于 1973 年，目前由王贻芳领导，而且实现了与国际接轨。一支茁壮成长的团队已经形成。过去十年中，在中国开展的粒子物理实验在中微子振荡和强作用介子物理方面做出了世界一流的结果。高能所也参与了大科学装置的建造。其中，高能所前所长陈和生领导了北京正负电子对撞机的升级、散裂中子源以及随后的基于加速器的核裂变等雄心勃勃的项目。推荐序 1 巨型对撞机IX本书有力论证了，中国物理学家与工程师已做好建造大型科学装置的准备，并与欧洲和美国一同参与高能竞赛。高能所创始人张文裕在 20 世纪 70 年代就提议建造一台可与 SLAC 和 CERN 的机器相竞争的50GeV 质子加速器，而这条道路如今对于中国愈加光明。高能物理的大事业需要国际合作（不过天文学、宇宙学，以及如今的生物科学都莫不如此），本书很好地阐明了其中的理由。我想在此以我个人的观点作结，它们来自我关于 CERN 大型强子对撞机（LHC）以及相关探测器的工作经验。我们需要国际合作，至少有两个原因：其一是财政资源，其二是人力资源，或者更一般地说，实践经验。当然，这两者关系密切。对于对撞机的非东道主国家，他们的财政贡献决定了该国有多少科学家与工程师参与到该项目，也决定了在多大程度上可以将其认为是属于他们、让他们投入精力和职业生涯从事研究的项目。由于此类项目的规模巨大，即使像中国这样的大国也很难独立资助，因此，整合国外资源实际上是必需的。此外，资源共享也有助于降低建造这样一台高级复杂设备的风险，同时也保证了，在建设过程遇到困难时可以得到国际支持（在此进程中肯定会遇到困难）。国际资源也将帮助解决另一个问题，即其他科学领域会感到政府将注意力完全集中于一个项目而产生反对意见。如丘成桐和纳迪斯所言，“水涨船高”，政府对科学的关注从长远来看对所有领域都有好处。不过，科学界内部的反对意见对这一事业可能会是致命的，如同美国取消超导超级对撞机（SSC）那样。仅从建设、操作该设备与探测器所需的劳动力来看，人力资源的共享不可或缺。因为所需人力显然超过了即使是中国这样一个大国的召集能力，不仅从人数上，更重要地，从该事业所需的人才、技能和创新能力来看，都是如此。X从万里长城到巨型对撞机中国探索宇宙最深层奥秘的前景而该事业所需的实践经验和尖端技术则是人力资源共享的另一个方面。这一项目在其所有方面都需要配备最好的技术，单独一个国家无法完全胜任。特别是在巨型对撞机的质子对撞阶段，高场强超导磁铁、质子束流动力学和控制等等技术目前都集中在世界上的两大实验室，即欧洲的 CERN 和美国的费米实验室。如果没有与这两个已有实验室的紧密联系，在一个全新的实验室里重复这些技术将是相当困难的。丘成桐与纳迪斯描绘了将出现在未来数十年内的情景。中国一旦能够进入高能量前沿的国际竞赛，必将是绝对的、最受欢迎的新鲜事物。卢查诺迈安尼罗马，2015 年 12 月 5 日卢查诺迈安尼（Luciano Maiani）CERN 理事会总裁（1997），CERN 总干事（19992003），意大利国家研究委员会 CNR 董事长（2008至今），曾获美国物理学会Sakurai Prize（1987）、意大利国际理论物理中心 Dirac Medal（2007）、欧洲物理学会 EPS Prize（2011）。推荐序 2巨型对撞机、粒子物理与 中国科学发展 从万里长城到巨型对撞机讲述了一个非凡的故事，那就是人类对微观世界从原子到夸克的好奇心如何同时改变了我们对宇宙以及对我们自身存在的理解。这个故事穿越两千年，从古希腊的原子论者出发，在随后的千年中缓慢推进，而从汤姆逊发现电子到近来发现希格斯玻色子这大约 120 年里，则以惊人的步伐加速前进。2012 年 7 月 4 日在 CERN 宣布发现希格斯玻色子，是整个科学史乃至人类全部历史中的重大里程碑。它向我们揭示了关于宇宙的非凡事实。我们如今知道，我们的宇宙填充着一种量子场，它对于我们自身的存在以及我们所知的一切存在物都至关重要。若不是它，电子就没有质量，原子就不会形成，因而也就没有恒星，没有地球，没有人类！希格斯玻色子的发现完成了粒子物理学的标准模型，这是人类有史以来对自然界在最基本的层次上最全面的描述。但这并不是故事的终结。的确，在一本激动人心的著作中，最好将这看作其中一章的结束。希格斯玻色子虽然回答了许多重要而深刻的问题，但是它提出的新问题比它解决的问题还要多。在标准模型之外、在我们所能确切解释的事实之外，还有新的奥秘。我们如今知道，宇宙物质中的绝大多数并非我们熟知的物质，而是一种我们看不见且尚无任何理解的暗物XII从万里长城到巨型对撞机中国探索宇宙最深层奥秘的前景质。不过我们知道，暗物质能够解释宇宙的大尺度结构，还能解释恒星在星系中令人困惑的运动。这种暗物质也许与超对称有关。超对称是一种非常基本的理论，它提出了一系列新的基本粒子。目前 CERN 正在积极搜寻它们。或者，暗物质也可能全然是另一种东西，很可能大大出乎人们的预料。不过大致可以确定的是，无论它是什么，都与希格斯玻色子有着某种联系，所以这种新粒子很可能就是给这段光辉历史进程打开下一篇章大门的钥匙。正因如此，中国乃至全世界的粒子物理学家，都对在中国建造巨型对撞机的可能性激动不已。中国巨型对撞机的第一阶段将是环形正负电子对撞机（CEPC），它使正负电子在 240GeV 能量尺度发生对撞。这正是产生在 CERN 发现的那种希格斯玻色子所需的能量。这台对撞机将大量产生希格斯玻色子，从而使我们以空前的精度研究其性质。事实上，物理学家可以通过精确测量寻找对粒子物理标准模型预言的细微偏离，从而提供关于新物理领域的无可争辩的证据，并对今后的实验与理论给予重要指引。当然，实验结果对标准模型没有任何偏差也将是同等重要的事实，因为这将为我们提供宝贵线索，帮助我们排除许多假想的新物理模型。无论如