中日誰將最先量産「上帝粒子」?

2019/04/26


      使萬物産生質量的「希格斯玻色子」(Higgs boson,俗稱「上帝粒子」)曾是獲得2013年諾貝爾物理學獎科學家研究的對象。可以大量製造出這種基本粒子、用以揭開宇宙和物理學之謎的研究設施「希格斯粒子工廠」(Higgs Factory)正在受到關注。雖然討論在日本建設的「國際直線對撞機(ILC)」在計劃上領先一步,但如今因資金問題而面臨難局。一方面,中國等推進的新建設計劃正顯示出後來居上之勢。

     

大量製造希格斯玻色子、追尋宇宙之謎(國際直線對撞機的完成效果圖,Rey.Hori/KEK)

        

      「我們在最優先建設希格斯粒子工廠一事上達成一致」,由世界主要加速器研究機構的代表參加的國際未來加速器委員會(ICFA)主席傑佛瑞·泰勒(Geoffrey Taylor)於3月7日在東京召開記者會時如此表示。

  

    希格斯玻色子的存在於1964年在理論上被預言,2012年通過位於歐洲原子能研究機構(CERN)的巨大環形加速器「大型強子對撞機(LHC)」的實驗得到確認。不過在LHC的實驗中,無法大量製造,仍不十分清楚詳細性質。在此背景下,相關人士討論建設被稱為希格斯粒子工廠的加速器設施,以此大量製造希格斯玻色子並詳細展開調查。

 

    而作為希格斯粒子工廠的代表性計劃之一就是討論通過國際合作在日本建設國際直線對撞機(ILC)。該計劃將以長約20公里的直線狀加速器,從兩端分別發射電子、以及帶有與電子相反的正電荷的正電子。使兩者以接近光速的速度碰撞。也就是通過屬於基本粒子的電子和正電子相撞,使之發生反應,大量産生希格斯玻色子。

 

    首次觀測到希格斯玻色子的LHC使2個質子加速並正面碰撞。不過,質子由多個基本粒子組合而成,即使發生碰撞,發生形成希格斯玻色子的反應的次數也很少。由於不同種類的反應同時發生,難以僅對希格斯玻色子發生的反應進行詳細觀測。

 

    東京大學特別教授村山齊將質子比喻為大福餅(包有紅豆餡等的日式糯米糰子),而將電子比喻為紅豆,形容稱「如果使大福餅相撞,周圍的餡也將一起飛散,無法詳細了解其中紅豆相撞的情形。而電子則是讓紅豆本身相互碰撞,能更清楚地看到發生了什麼」。

 

    全世界的物理學家之所以重視希格斯粒子工廠,是因為一般認為希格斯玻色子掌握著弄清宇宙如何形成和將來如何變化的鑰匙。

 

    根據現在的物理學的標準理論,希格斯玻色子只有1種,但人類也得知,如果希格斯玻色子的性質與理論預測一致,宇宙將變得不穩定。這樣一來,顛覆此前的常識、若干宇宙並行存在的「多重宇宙理論」正確這一可能性將提高。

 


    但是,如果被視為能取代標準理論的強有力候選的「超對稱性理論」是正確的話,則需要5種希格斯玻色子。除此以外,還存在可以想像超越空間和時間的第5個維度存在的可能性等各種宇宙模型。如果弄清希格斯玻色子的詳細性質,就有助於判斷其中哪一種理論是正確的。

   

  

    不過,世界物理學家攜手推進設計和開發的ILC計劃目前面臨難局。圍繞被認為整體達到8千億日元(約合人民幣479億元)的建設費的承擔問題,在作為建設候選地的日本國內存在反對的聲音,仍未拿出開工建設的時間表。3月,日本文部科學省提出看法稱「將帶著關注繼續推進國際意見交換」,但並未發展到積極表示承接該建設項目。

 

    在ILC計劃陷入停滯的背景下,正在浮出水面的構想是中國的光子工廠(Photon Factory),即大型環形正負電子對撞機(CEPC)。雖然使電子和正電子相撞這一點相同,但與直線狀的ILC不同的是,其將採用與LHC同樣的環形。這將是一週約為100公里、相當於LHC(27公里)的約4倍的巨大加速器。

 

    ILC設想2026年前後開工建設,2030年代投入運行,而CEPC則力爭2035年前後投入運行。除了ILC和CEPC以外,歐洲也具有建造希格斯粒子工廠的構想,但即使實現,投入運行也要等到2050年前後這一非常遙遠的將來。如果ILC的建設不斷推遲,CEPC比其更早投入運行的可能性也將出現。

 

    「今後20~30年的物理學的核心無疑將是希格斯玻色子」,一直推動日本主導ILC建造的東京大學特任教授山下了如此表示。最初投入運行的希格斯粒子工廠領跑今後的物理學研究的可能性很高。正因為尖端物理學還是技術創新的源泉,所以希格斯粒子工廠最初將在哪投入運行正受到關注。

     

      日本經濟新聞(中文版:日經中文網)編輯委員 小玉祥司

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