叉路口 科学家呼吁全球合作迎接粒子物理学新挑战

旅行家

来源：中国科学报

发布时间：2014-1-8 9:26:08

粒子物理学：分水岭后的叉路口
科学家呼吁全球合作迎接粒子物理学新挑战

现在，是时候停下来考虑粒子物理学接下来应如何发展的问题了。



Nigel Lockyer呼吁在全球范围内协调下一代的粒子物理科研项目。
图片来源：SCOTT GARRETT

2013年是粒子物理学的分水岭。对希格斯玻色子长达几十年的探索基本完成。希格斯粒子预测获得诺贝尔奖所引起的热潮尚未退去，粒子物理界对此深感满意。现在，是时候停下来考虑粒子物理学接下来应如何发展的问题了。

希格斯玻色子是粒子物理学标准模型中的最后一块拼图，不过该模型并不能解释宇宙的一些基本方面。从中微子极小的质量到暗物质和暗能量，该领域还有更多的东西有待发现。不过下一个线索潜伏在哪里呢？

这并不能确定。人们所知道的只是下一代的粒子加速器将是昂贵的，在全球的科研财政约束下，对政府支持的资金要求却在上涨。Nigel Lockyer即将成为美国伊利诺伊州巴达维亚市费米国家加速器实验的主任，过去6个月里他一直在讨论美国粒子物理的未来。Lockyer认为，粒子物理是一个全球探索的领域，很多国家的项目和参与者都致力于此，美国在中微子物理学等领域处于领先地位，但全世界的整体情况并不清晰。相关资源需要合并，新的竞争者正在出现。中国和印度的人才、基础设施和目标必须考虑到全局形势中。

而每个国家和主要项目都必须考虑其影响。Lockyer表示，机会是巨大的：可以以此加快进度并结合不同优势；但是所面临的风险也同样大：也许在重大项目中不能达成协议，失去国际合作伙伴等。

希格斯以外的领域

瑞士日内瓦附近欧洲粒子物理实验室里的大型强子对撞机（LHC）是目前世界上最高能的加速器。经过两年的升级，在2015年初再次启动时，该机器将在接近其设计能量14TeV（万亿电子伏）的水平上运行，大约是发现希格斯粒子的能量水平的两倍。既然标准模型已经完整，那么任何新粒子的发现都将彻底改变科学家对物理学的认知。

除此之外，还有一些计划会在21世纪20年代升级LHC，以提供更高能的电子束和更高效的探测器。

其他尖端科学也有望实现进一步的发展。科学家尚不理解中微子如何相互作用，其质量的起源或其在早期宇宙中的作用。费米实验室正在提议建立一个长途的中微子束实验，从费米实验室延伸1300千米到达南达科他州霍姆斯塔克市。另外，还会在地表以下1500米处设置3.5万吨的液氩探测器。该实验的总建设预算近10亿美元，这要求其寻求国际合作者。能源部科学办公室已经表示，如果有欧洲和亚洲的研究团队参与其中，它将支持该提议。

而日本是该实验最强劲的竞争对手。日本希望通过国际直线对撞机（ILC）研究希格斯玻色子，并计划于21世纪20年代末在精度方面超越LHC。大多数粒子物理学家支持ILC，不过很多人还是首先想看一下升级后的LHC将会有何发现。

传递接力棒

科学家并不确定下一个蕴藏重大发现的能量范围是什么，许多物理学家相信，应该尽量将目标定得高一些。甚至一些人认为应该建立更高能的轻子对撞机，例如压缩线性对撞机（欧洲建立的与ILC竞争的高能对撞机）等。欧洲正在组建团队设计一个100TeV质子—质子对撞机，它有周长100公里的隧道，有望于21世纪30年代启动。

美国在20世纪90年代未能实现超导超大型加速器运行，以及在2011年关闭费米实验室的万亿电子伏加速器后，仍有野心主持一个高能尖端机器的项目。也许高能领域的接力棒会传回美国，毕竟费米实验室仍然是质子加速器领域的世界领袖。

Lockyer说：“中国的角色变化也为此更添悬念。”去年，中国从粒子物理学历史上的一个小角色，逐渐走上了世界舞台，它在中微子物理学上取得了令人印象深刻的成果，其中包括发现3种中微子中的2种混合在一起的程度比预想的更高。这种大程度的混合意味着中微子和反中微子之间基本对称的差异也许在长基线实验中是可观测到的，这告诉了人们关于早期宇宙中物质与反物质的不平衡。若进行更大胆的设想，中国有没有可能会通过建立100TeV的设备从而领先世界呢？在中国建造设备的花费更少，尽管它需要世界其他国家的帮助进行设计和建造。

Lockyer认为，如果中国确实能够领先，那它将改变科学版图的面貌。关于全球粒子物理学进展的讨论需要中国、印度、北美、欧洲和日本国家首脑的参与。

世界对话

Lockyer指出，物理学家并不在乎在哪里作研究。但是粒子物理项目的大规模意味着所有新的巨型加速器需要全球的计划、协议与参与建造。各国政府将不得不在其他国家作出前所未有的金融投资，挑战传统的将纳税人的钱主要放在国内获得直接短期效益的模式。

各国政府将试图明确哪种模式最符合其国家利益。而少有人还在谈论“人才引进和流失”，更多的人在讨论“人才环流”。国家和知识团体通过参与到全球对话中实现各自的发展，而不再强求拥有最多的人才。

科学界必须确保主要区域实验室的健康运行，例如费米实验室、日本筑波的高能加速器研究组织（KEK）等，目前大型粒子物理项目仅在这些地方可行。中国等新兴经济体对主持其他项目的要求将会挑战现在处于领先地位的国家的长期计划。美国和欧洲的科学家将不得不了解如何最好地利用国际竞争以刺激自身的项目推动，并同时保持良好的国际合作关系。

总之，粒子物理学的领导者需要在定义和维护全球计划上发出更大的声音，并且表现得更加积极。毕竟，“国际粒子物理设施有助于让人类了解宇宙是如何工作的。”Lockyer说。(张冬冬 )

旅行家

作者：张冬冬 来源：中国科学报

发布时间：2013-7-3 8:23:02

美粒子物理实验室迎来新主任



Nigel Lockyer 图片来源：费米实验室

美国伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室（费米实验室）近日宣布，Nigel Lockyer将于13-9月3日接任粒子物理实验室主任一职。Lockyer的任命正值费米实验室的转变期：物理学家于2011年关闭了传奇的核粒子加速器Tevatron（在其被欧洲大型强子对撞机LHC超越后），并试图继续推进其下一个超级项目——拟议数十亿美元的长基线中微子实验（LBNE）。

“非常棒！”芝加哥大学的粒子物理学家Henry Frisch说道。他曾和Lockyer在CDF一起工作，CDF是Tevatron的两个大规模粒子探测器之一。“这是艰难的时期，我对Lockyer应对困难状况的能力、他的常识和完成任务的能力很有信心。”

Lockyer是在苏格兰出生、加拿大长大的美国人，今年60岁，目前是加拿大粒子和核物理实验室TRIUMF的主任。他曾在费米实验室工作超过25年，并担任有着600位成员的CDF团队的发言人。

费米实验室大约有1700人，面临很多困难。几年前，费米实验室的研究人员希望在Tevatron关闭后，建造一个30千米长的直射粒子加速器，被称为国际直线对撞机，作为对LHC的补充。不过，2007年，能源部（DOE）没有进行相应拨款——约70亿美元。因此研究人员转向建造LBNE，这是一种研究中微子的庞大实验。然而这些努力的进展并不顺利。对于LBNE，费米实验室的研究人员试图向南达科他州废弃的霍姆斯塔克金矿中的3.4万吨检测器发射一束中微子。2012年3月，DOE官员称，他们无法一次承受19亿美元的实验花费。因此2012年8月，研究人员计划在霍姆斯塔克金矿表面使用1万吨的检测器，但若想实现探测器的最初目标，必须将其建造于地下。

Lockyer称：“我面临的第一个挑战就是关注这些进程，和不同机构的主管交流，以了解美国科学界真正想要的是什么。”

宾夕法尼亚大学的物理学家H.H. Williams表示，挑战很严峻，但Lockyer会战胜它们。“他每天只睡四五个小时，有着巨大的能量和无尽的韧性。”

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美国粒子物理学陷入僵局  科学家齐聚密西西比斯诺马斯共商大计

作者：段歆涔 来源：中国科学报

发布时间：2013-7-29 8:34:31

美国粒子物理学陷入僵局
科学家齐聚密西西比斯诺马斯共商大计



图片来源：ADAPTED FROM FERMILAB GRAPHIC

在上世纪80年代和90年代，每隔几个夏天，美国粒子物理学家就会聚集在科罗拉多州一个名为斯诺马斯的豪华滑雪圣地，评估当时该领域的研究情况，商讨下一步的计划。近日，粒子物理学家计划进行自2001年后的首次会面。但这一次，他们的聚会地点选在了一个不是那么高端的地方——明尼苏达大学双子城分校，而会议议案则将其称为“密西西比河上的斯诺马斯”。

本次会议地点的更换主要是受到目前美国政府针对会议开支的限制，但这似乎也象征着该国粒子物理学所面临的困境。美国能源部（DOE）划拨到高能物理学的预算目前为7.52亿美元，跟过去10年相比缩水了15%。

越来越多的美国研究人员选择在海外开展工作，而不是在本土仅有的粒子物理实验室——伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室（Fermilab）——进行实验。一些美国物理学家对Fermilab未来10年的主要项目——所谓的长基线中微子实验（LBNE）并不热心。

芝加哥大学理论物理学家、美国物理协会粒子和场研究项目主席Jonathan Rosner说，斯诺马斯会议并没有为学界指明新的前进道路。相反，物理学家需要去探索针对粒子物理未来发展的所有选择。Rosner说：“我们可以提供的是：向非专业研究者解释为什么粒子物理学值得进一步支持，并证明我们可以做到。”他说，物理学家将编撰一套白皮书，详尽描绘粒子物理中包含的科学机遇。一个独立粒子物理项目优化小组（P5）将在明年设置研究的重点。

最后一届斯诺马斯会议召开之时，美国粒子物理项目处于世界领先地位。Fermilab有世界上能量最高的核粒子加速器——7公里长的万亿电子伏特加速器（Tevatron）。Tevatron曾发现一种名为“顶夸克”的粒子。

但变化就在眼前。位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室（CERN）的27公里长的大型强子对撞机（LHC），能够以比Tevatron更高的能量粉碎质子，并于去年探测诸如希格斯玻色子等猎物——这种粒子对于解释为什么其他基本粒子具有质量这一问题至关重要。

为了保持在学界的竞争力，美国物理学家计划建造一个巨大的直线对撞机。在当时的斯诺马斯会议上，他们达成了共识：优先建造一个国际直线对撞机（ILC）。

但甚至一些当时推动该计划的人，现在都认为这是一个错误决定。参加相关文件撰写的SLAC国家加速器实验室理论家JoAnne Hewett说：“很多人觉得他们是被迫同意了该文件。”2007年，DOE表示无法负担该项目50%的资金份额——约为70亿美元。

2008年5月，P5发布了一份报告，将粒子物理细分为三个“前沿”。在能量前沿上，美国物理学家将参与LHC的实验。在宇宙前沿上，其他研究者将致力于地下实验，以探测暗物质粒子或天文学实验，从而了解宇宙延展暗能量的本质。在强度前沿环节，Fermilab的实验要求最大强度的质子束。这种质子束能够用来产生中微子。

这样的实验旨在研究3种类型的中微子如何从一种类型转变成另一种类型——通常称为中微子振荡。P5提议Fermilab继续进行有决定性意义的中微子振荡实验。LBNE实验将利用储存在南达科他州里德附近废弃的霍姆斯特克矿地下的巨型探测器，探测从1300公里外的Fermilab发出的中微子束。

LBNE的支持者指出，研究中微子振荡是很有希望的。LBNE将探索中微子和反中微子是否产生不同的振荡，这种不对称性有助于解释宇宙中的物质数量为何远远超过反物质。

批评者则指出，中微子物理学研究领域过于狭窄，不足以支持美国国家计划。加州大学圣塔巴巴拉分校理论物理学家David Gross说：“即使我们测量了所有的参数，该计划终会走向尽头。从事科学工作的人主要集中在大学，他们习惯‘用脚投票’，他们工作于LHC。”

去年，DOE认为，LBNE项目最初19亿美元的预算过于昂贵，要求该项目缩减成本。这使得中微子物理学研究更加迷雾重重。一些研究者表示，即使对于中微子物理学家而言，缩水后的计划无法激起他们的研究兴趣。

是否存在可行的方案来替代目前的计划？Gross的回答是肯定的。欧洲计划在2020年对LHC项目进行一次重大升级，而日本则希望成为ILC项目的主导者。Fermilab也可以把重心转移到海外，让美国继续专注于能量前沿的研究。

但其他人表示，如果没有Fermilab开展主要研究，整个计划将在政治上无法维持。他们希望来自其他国家的支持能帮助LBNE恢复其原貌。上个月，欧洲物理学家也表态：他们愿意在其他地区开展中微子实验。

最终，一些物理学家指出，P5可能调整现有的计划。但是有人担心，经过一番权衡，DOE官员会把在海外开展能源前沿研究或是在本土开展强度前沿研究视作非此即彼的选择。

早在国会批准了2012财年预算后，众议院就建议DOE必须在这两个具有竞争力的方向中区分优先级。Hewett说：“我认为，为LHC工作的研究者只是专注于研究数据本身，并不清楚现在的形势。”

一些物理学家表示， 他们希望能在新斯诺马斯会议上看到被优先考虑的项目。

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美专家说粒子物理将进入“全新能量范围”

作者：任海军 来源：新华网

发布时间：2010-3-31 13:30:01

美专家说粒子物理将进入“全新能量范围”

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机14-3月30日完成迄今能量最高的质子束流对撞试验。美国专家评价说，这一壮举将引领粒子物理研究进入“全新能量范围”。

14-3-30日在美国加州理工学院的一个会议室内，数位美国物理学家观看了欧洲核子研究中心的此次对撞试验。大型强子对撞机内的两束质子流在分别被加速至3.5万亿电子伏特后成功相撞，从而使对撞总能量达到７万亿电子伏特。

参加过大型强子对撞机探测器项目的加州理工学院物理学家哈维·纽曼在对撞完成后对当地媒体说：“这太令人激动了，我们正在进入一个全新的能量范围，我们正在观测各种各样的奇异景象。接收到（对撞）数据后，我们将立即展开分析。”

曾领导大型强子对撞机探测器项目的加州大学洛杉矶分校教授罗伯特·卡曾斯指出，过去几十年来，宇宙学领域取得了重要进展，宇宙大爆炸理论得到越来越多研究者的认可，但要了解宇宙起源时的情景，科学家还需知道自然界最小的粒子是什么以及这些粒子之间存在何种作用力。他认为，自然界存在迄今未发现的作用力，物理学的一个重要任务就是揭示这些作用力。

卡曾斯说，大型强子对撞机可以模拟宇宙大爆炸发生后曾瞬间存在的情形，并能在可控情况下不断重复类似情形，高能质子束流对撞有可能创造出未知粒子和暗物质，专家有望由此获得关于宇宙起源的新发现。