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生活

加速粒子換新招:電漿×雷射

科學人

更新於 2022年07月01日06:45 • 發布於 2022年07月01日07:30 • 鳩希(Chandrashekhar Joshi)

欲獲致劃時代的基礎物理發現,科學家或許得借助電漿與雷射,設計出前所未見的強悍粒子加速器。

(繪圖:Peter and Maria Hoey)
(繪圖:Peter and Maria Hoey)

在20世紀初期,科學家對於組成物理世界的基本單元所知甚少。但是到了同一世紀晚期,他們不僅發現了可建構出眾多已知物質的所有化學元素,還找到一大堆用以組成人類、地球、甚至整個宇宙的更基本的粒子。而粒子加速器正是促成這項革命的利器。

粒子加速器的登峰之作,當屬2012年大強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)發現了長期找尋的希格斯玻色子(Higgs boson)。LHC位於瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究組織(CERN),是一座周長27公里的加速環,能使兩束各具七兆電子伏特(即7TeV)能量的質子對撞。它是至今最大、最複雜且號稱是有史以來最貴的科學儀器。粒子物理學中的主流理論稱為標準模型(standard model),而希格斯玻色子正是其最新一塊拼圖。可是在發現該粒子之後將近十載,LHC以及其他粒子加速器卻再也沒找到新的基本粒子。

粒子大觀園

難道科學家已經發現所有可能存在的粒子了?這必須存疑。因為粒子物理學的標準模型無法用於解釋暗物質,儘管找不到組成暗物質的粒子,暗物質在宇宙中卻很豐饒。有一項稱為超對稱(supersymmetry)的理論可用於擴展標準模型,卻預測有更多種我們從來都不知道的粒子。況且物理學家還要解答其他深刻的問題,例如空間是否有更多維度?在可觀測宇宙中正反物質的量為何如此不均?要解開這些謎團,很可能需要一座比LHC更強大的粒子加速器。

許多科學家都支持一項興建「國際直線對撞機」(International Linear Collider, ILC)的計畫,此直線加速器可以產生的對撞能量是2500億電子伏特(即250GeV)。它雖然不比LHC那麼強大,但其設計是要讓電子與正子(電子的反物質粒子)對撞,因為比起LHC裡質子的對撞,科學家預期電子與正子的對撞所產生的數據更為「乾淨」。不幸的是,能容納ILC的設施長達20公里,而造價預期會超過100億美元,高昂的造價致使至今多數國家都不願承諾建造。

於此同時,某些方案則是想經由提高偏轉質子束的超導磁鐵強度,來把藏身於隧道內的LHC對撞能量升級成27TeV。除此之外,CERN還提出一項稱為「新世代環狀對撞機」(Future Circular Collider)的計畫,這座周長100公里的電子與正子及質子與質子的對撞機,可以使質子與質子的對撞能量達到空前的100TeV。但是此計畫所需的經費至少等同於ILC,而且只增不減。就算真的要興建,還得等到2035年LHC停止運轉之後。

然而,建造這些所費不貲的巨無霸並非物理學家唯一的選項,早從1980年代起,他們便開始為對撞機的進展另闢蹊徑。其中一種是以電漿為基礎的粒子加速器,前景更是大有可為,因為與當今的粒子加速器相比,它不僅是TeV等級的對撞機,並且可能兼具巧而廉的特色。

說起粒子加速器,就要追溯到1897年英國劍橋大學的卡文迪什物理實驗室。在那裡,物理學家湯姆森(J. J. Thomson)利用桌上型陰極射線管(cathode-ray tube)製作出粒子加速器的原型,而在平面電視機問世前,每一台電視機內部都有類似的陰極射線管。湯姆森藉此發現了帶負電的電子。

物理學家利用放射性粒子來撞擊原子,很快確認了組成原子的另兩個粒子:質子與中子。到了1930年代,勞倫斯(Ernest Lawrence)發明了稱為迴旋加速器(cyclotron)的第一個環狀粒子加速器,這個手掌大小的儀器可以把質子加速到約八萬伏特。此後粒子加速器的技術突飛猛進,科學家甚至可以藉由加速帶電粒子來提升能量,用於探測原子核。這些進展找到了數以百計的次原子粒子,而粒子加速器引致的高能物理學世紀也於焉開展。在20世紀晚期的20、30年間,由於粒子加速器發出的粒子束能量急遽提升,科學家證實了這一大堆次原子粒子,僅僅是由標準模型所預測的17種基本粒子所構成。到了1990年代晚期,除了希格斯玻色子,其他基本粒子皆已在粒子加速器的實驗中發現。而希格斯玻色子最終在LHC現身,更是近代粒子物理學的巔峰成就……

【欲閱讀全文或更豐富內容,請參閱〈科學人知識庫〉2021年第235期09月號】

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