欧洲大型强子对撞机“强势升级” 亮度提升5到10倍

当地时间8月1日，欧洲核子研究中心（CERN）官网刊文透露，大型强子对撞机（LHC）的下一代“继任者”——高亮度大型强子对撞机项目的升级工作正在进行。

高亮度LHC项目预计从2026年正式开始运行，其亮度将比LHC提升5到10倍，从而大大提升LHC的性能。

据CERN官网介绍，2013年，高亮度LHC项目被欧洲粒子物理战略列为首要优先项目。按照目前CERN的预算，从2015年到2026年期间，高亮度LHC的设备预算是9．5亿瑞士法郎，折合人民币约67亿元。

数据采集能力将提升数倍

“对撞机的亮度是指，两个束团发生对撞，每秒每平方厘米粒子发生对撞的数量。”中科院高能物理研究所研究员、环形正负电子对撞机（CEPC）加速器负责人高杰接受科技日报记者采访时介绍。

除了质心对撞能量，亮度也是对撞机性能的重要指标之一。

华中师范大学物理科学与技术学院教授、LHCb中国组成员谢跃红告诉科技日报记者，亮度提升意味着在相同条件下、同样时间里发生的质子－质子反应次数增加，因而能够提供更多的实验数据用于物理研究。

“如果LHC的亮度提高5到10倍，那么原则上高亮度LHC的数据采集能力也需提升5到10倍。”高杰告诉科技日报记者。

高杰分析，高能实验物理依赖实验数据高速采集和海量存储，实验物理学家需要采集到足够的实验数据量并对相关物理现象进行分析、研究并与理论预期结果进行比较。亮度提高而引起的实验数据量的大幅增长，意味着LHC目前没办法开展的很多研究，未来将能够在高亮度LHC上进行，尽管高亮度LHC的对撞能量与LHC相同。

“配合相应的探测器升级，高亮度LHC将极大提升新科学发现的潜力。”谢跃红介绍，为达到亮度提升的目标，高亮度LHC将在低温超导、真空、束流控制等方面采用大量先进技术，压缩对撞点束团尺寸以提高对撞束团密度。

据CERN官网透露，高亮度LHC项目于2018年4月正式开始工程建设。目前高亮度LHC项目施工地点包括LHC1号实验点和5号实验点，分别位于瑞士的梅汉和法国的塞希。

精细测量“上帝粒子”是任务之一

“高亮度LHC产生的海量数据将为多个研究领域带来巨大机遇，甚至有可能取得新的发现，其中包括超标准模型新粒子和新相互作用的寻找、电弱物理的精确测量、希格斯粒子性质的研究、正反物质不对称性的研究、强子结构和性质研究等。”谢跃红告诉科技日报记者。

以有着“上帝粒子”之称的希格斯粒子为例，谢跃红介绍，继2012年科学家在LHC上发现希格斯粒子后，利用高亮度LHC来继续研究希格斯粒子的性质和寻找超标准模型新物理成为顺理成章的选择。

据CERN官网介绍，2017年LHC通过质子－质子对撞产生了大约300万个希格斯粒子。而高亮度LHC预计每年将产生至少1500万个希格斯粒子。

“发现‘上帝粒子’，只是开始，而不是结束。”高杰解释说，希格斯粒子是标准模型中唯一可以和宇宙内一切有质量的物质进行反应的粒子，其中既包括物质粒子，也包括暗物质。因此，精细测量希格斯粒子有助于精确研究物质深层次结构，也有可能成为发现暗物质世界的重要窗口和途径。

高杰告诉科技日报记者，国际上提出的其他下一代大型对撞机项目包括由中国物理学家提出的CEPC、日本政府正积极争取的国际直线对撞机（ILC）项目及CERN规划中的未来环形对撞机（FCCee）。在这些项目建成以前，高亮度LHC仍将是高能物理研究领域的重要研究工具和平台。

谈到中国科学家所参与的LHCb国际合作实验，谢跃红介绍，高亮度LHC时代的LHCb实验对检验标准模型和间接寻找新物理具有极其重要的作用，同时还将为深入研究强子结构和强相互作用性质提供巨大机遇。