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標題: 歐洲為什麼要花210億歐元建更大的粒子對撞機﹖ [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2020-8-2 10:38 AM 標題: 歐洲為什麼要花210億歐元建更大的粒子對撞機﹖

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　　在探尋「上帝粒子」和暗物質的路上﹐歐洲又往前走了一步。6月19日﹐歐洲核子研究組織全票通過《2020歐洲粒子物理戰略》﹐決定最高優先等級就是研究希格斯玻色子(即「上帝粒子」)和推動高能物理學。故歐洲核子研究中心通過決策﹐計劃建造耗資210億歐元的新世代環狀對撞機(Future Circular Collider﹐FCC)。
　　這是一項長期計畫。2013年《歐洲粒子物理戰略》更新時﹐就開始進行概念設計研究﹐打算建造一台比LHC能量更高的環狀對撞機。LHC全稱「大型強子對撞機」(Large Hadron Collider)﹐是目前規模最大的粒子物理實驗機器﹐FCC 正是LHC的繼任者。
　　2012年﹐科學家透過LHC對撞實驗﹐證實希格斯玻色子存在﹐補上粒子物理學「標準模型」最後一塊也最重要的拼圖。「標準模型」是微觀現象的物理學基本理論﹐用於解釋物質世界的基本構成及相互作用。理論認為﹐希格斯玻色子是「質量之源」。其他粒子透過和希格斯玻色子相互作用﹐才能產生質量﹐接著有引力﹐最終形成宇宙和生命。因此﹐希格斯玻色子有另外一個廣為人知的稱號﹕「上帝粒子」。
　　從1960年代「標準模型」提出﹐到2012年證實希格斯玻色子﹐花了50年。這半世紀裡﹐立下汗馬功勞的除了粒子科學家﹐還有造價動輒十億百億的高能粒子加速器。
　　大型對撞機其實可視為特殊的粒子加速器。加速器並不是什麼稀奇東西﹐電視和電腦顯示器的顯像管﹐從原理來說﹐就是小型電子加速器。但像LHC這類高能粒子加速器﹐世界僅此一台。
　　在加速器裡﹐科學家將(帶電)粒子加速到非常快(最快可接近光速﹐但無法超越光速)﹐使其具非常高能量﹐然後轟擊到目標粒子。兩顆粒子碰撞後﹐會碰出新粒子﹐就是科學家要觀測的對象。過程好比把兩個核桃相撞﹐外殼破掉後﹐得到裡面的核桃仁。
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　　自1931年第一台圓形迴旋加速器發明出來﹐這種裝置已發生翻天覆地的變化。第一台圓形迴旋加速器只有巴掌大﹐直徑約11公分﹐造價25美元﹐從設計到建成不到一年。而LHC長27公里﹐造價超過50億瑞士法郎﹐從提出設想到成功實驗﹐歷時25年。
　　變化如此大的背後﹐都是為了更高的碰撞能量。對粒子物理實驗而言﹐如果想看到更小的物質﹐就必須用更快速度碰撞﹐以產生更高的能量。第一台圓形迴旋加速器的能量只有8萬電子伏特﹐LHC的碰撞能量是以兆計算﹐且還經過多次升級﹐讓粒子物理實驗不斷突破。
　　2011年底﹐科學家發現希格斯玻色子存在的跡象﹐但還無法完全確定。2012年4月﹐為了精準擷取希格斯玻色子﹐歐洲核子研究中心把LHC的最高能量﹐從7兆電子伏特升到8兆電子伏特。擷取「上帝粒子」後﹐歐洲核子研究中心又多次升級LHC。2015年5月﹐將LHC對撞能量升到13兆電子伏特。2018年12月再次停機升級﹐2021年5月重啟後﹐對撞能量將達14兆電子伏特。2025年最後一次停機﹐直至2027年升級為「高亮度LHC」。雖然對撞能量沒有提升﹐但能產生更多碰撞﹐積累資料將超過LHC 10 倍。儘管LHC多次升級﹐但對粒子物理來說﹐想更上一層樓﹐就得建造更大的實驗機器。
　　擷取希格斯玻色子後﹐「標準模型」完整了﹐但科學家的工作沒有停止。不管理論還是實驗結果﹐都表明這不是物質原理的終點。「標準模型」能涵蓋宇宙大爆炸後許多物理過程和現象﹐但卻無法解釋暗物質﹑暗能量及物質和反物質不平衡的問題。補充「標準模型」漏洞的「超對稱理論」可解釋暗物質﹑暗能量﹐但預言的超對稱粒子﹐至今還沒有找到。
　　諸多還沒解開的物理謎團﹐需要新物理來解釋。而精準測量「標準模型」的核心希格斯玻色子﹐被認為是搜尋新物理的最好破口。
　　LHC多次升級的情況下﹐最大對撞能量也只到14兆電子伏特﹐無法滿足精確測量希格斯玻色子的需求。想把希格斯玻色子性質測量至1%精確度﹐需要能產生100兆電子伏特能量的裝置。因此﹐就誕生了FCC對撞機計畫。FCC全長100公里﹐安置在環形隧道裡﹐約6倍於正在運行的LHC。按CERN的規劃﹐FCC將坐落在瑞士和法國交接處。
　　下圖白色圓圈即FCC占地﹐左上角藍色為LHC現址﹐長27公里﹐是目前碰撞能量最大的粒子對撞機。
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　　FCC計畫分成兩步﹐第一步是建造高亮度的正負電子對撞機﹐碰撞能量與LHC類似。第二步是終極目標﹐打造碰撞能量為100兆電子伏特的質子對撞機。正負電子對撞機擁有極高信噪比﹐可在極高精準度下測量希格斯玻色子﹐因此又稱為「希格斯工廠」﹐專門產生大量「上帝粒子」探究性質。中國提倡的環形正負電子對撞機(CEPC)﹐也是和FCC第一步大同小異的希格斯工廠。
　　不管歐洲FCC還是中國CEPC﹐都有個核心爭議﹕投入產出比。
　　歐洲FCC預估造價210億歐元﹐中國CEPC造價400億人民幣﹐之後的質子對撞機(SppC)更造價1,000億人民幣。這些費用通常由國際社會共同承擔﹐以中國CEPC和SppC為例﹐國際貢獻30%﹐中國出資70%。如此巨額投入﹐卻面臨極大不確定性。建造更大對撞機的長遠目標﹐是為了探尋「標準模型」外的新物理﹐但沒有證據表明﹐暗物質粒子和超對稱粒子會出現在新裝置的能量範圍。
　　中國理論物理學家一直反對建設CEPC﹐「超對稱粒子只是猜想﹐沒有任何實驗根據﹐冀望用極大對撞機發現猜想粒子﹐只是猜想加猜想。」美國曾也有類似計畫﹐名叫「超導超大型加速器」(Superconducting Super Collider﹐SSC)﹐因造價飆升而中途放棄﹐浪費了20億美元。
　　不過大型對撞機計畫有時候會產生技術外溢效應﹐出現粒子物理領域外的收益。如要供全球科學家交流資訊﹐歐子核子研究中心誕生了Web時代的基礎──全球資訊網﹔因要計算大量實驗資料﹐又發展出世界最大網格計算環境。

作者: jerryaae 時間: 2020-8-2 06:51 PM

很好啊
這非常好用的東西
但是也要花很多錢
研究宇宙原理的方法之一

作者: mountingdog 時間: 2020-8-5 10:18 AM

這個投資太巨大，但是收益無法預測。花上幾百億美金，費效比太低

作者: 極限ZERO 時間: 2020-8-8 01:48 AM

這樣不知道會部會有更好的研究結果出現，如果出現都是不好現象一切都白努力了

作者: javapeter2008 時間: 2020-8-10 01:10 AM

上次對撞已經證實及找到最後一粒基本粒子，今次最怕撞了個黑洞出來

作者: boring130 時間: 2020-8-10 05:06 PM

造成時空錯置，開啟不可預知的黑洞，這將是人類的一大突破，但是是否造成人類的災難也未可知

作者: swisstom908 時間: 2020-8-11 07:48 PM

2014年11月9日，歐洲核子研究組織宣布發現2種次原子粒子Xi_b'-和Xi_b*-，都屬於重子（baryon）粒子家族。這兩種粒子包括1個底誇克、1個奇誇克和1個下誇克。

作者: jupiter_optimus 時間: 2020-8-11 09:41 PM

科學的研究原本就是花錢賠本的，看看美國NASA都讓企業幫忙上太空了

作者: conductor57 時間: 2020-8-13 11:07 PM

額貴的投資不過應該也會帶動高科技產業的發展，想要搞這種超大型實驗也是要靠強大的國力的。

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