超越希格斯粒子:从大型强子对撞机到中国

三年前，就在它计划关闭为第二阶段做准备之前大型强子对撞机(LHC)发现了希格斯玻色子．它的发现是意料之中的，早在近60年前，彼得·希格斯(Peter Higgs)就预测到了，但lhc产生的粒子是奇怪而令人费解的。

“围绕希格斯粒子有各种各样的问题，理论问题，这非常神秘，”他说尼玛Arkani-Hamed，学院的教授bob苹果下载．“希格斯粒子是我们四十年来发现的第一种真正新型的基本粒子，它真的是一个奇怪的物体。”希格斯粒子像点一样，除了质量为125千兆电子伏特(GeV)外，没有其他属性，没有任何电荷或自旋。它也是唯一已知的能与自身相互作用的粒子。

面对如此扣人心弦的悬念，Arkani-Hamed前往中国．Arkani-Hamed说:“我认为我能做的最有效的事情就是推动物理学的这一部分向前发展，努力确保下一台机器出现。”“我认为我可以有效地在年轻人中吸引大量的人才，他们是所有这些对撞机如何工作的专家，他们也在寻找LHC关闭和重新启动之间的空白期做些什么。”

Arkani-Hamed与北京高能物理研究所所长王一芳合作，成为北京新成立的未来高能物理中心的首任主任。在过去的两年里，阿尔卡尼-哈默德与王和其他人合作，建立了一个被称为圆形电子正负对撞机(CEPC)的希格斯工厂，随后是一个超级质子质子对撞机(SPPC)，一个50到100公里长的圆形对撞机，它将为大型强子对撞机17英里长的设计提供一个重大升级。

去年，阿尔卡尼-哈米德每个月都要在北京待上一周左右，完成两份报告(总共超过700页;报告的链接见方框)在今年春天提交给中国政府，为对撞机做了物理论证，并描述了如何建造对撞机，目的是为该项目争取五年的资金。如果一切按计划进行，政府批准未来五年的研发资金后，将在2020年之前挖掘一条隧道。希格斯粒子工厂的碰撞数据将在2020年之前提供。

今年6月，LHC以破纪录的13太电子伏特(TeV)重新启动，这是上次运行能量水平的两倍，这使得可能发现可能处于可探测边缘的粒子(如超对称和/或暗物质粒子)。但LHC的下一次运行不会让我们对希格斯粒子有更深入的了解，希格斯粒子的质量使得对撞机很难获得非常精确的图像，即使是在它的新能量下。

拟议中的CEPC将为研究希格斯粒子提供一个显微镜，特别是希格斯粒子是否可能是具有某种结构的复合粒子。“我们真正感兴趣的核心问题是:它看起来有多点状?如果它有子结构，一切都会好起来的。如果它有某种可辨认的大小，我们理论家就不会惊慌失措了。我们会理解的。我们会很高兴，”Arkani-Hamed说。“但越来越多的人认为它没有子结构。你探测到越来越短的距离——它似乎仍然完全没有特征，事情变得越来越奇怪。大型强子对撞机本身只能给我们一个相当模糊的图像。”

包括阿尔卡尼-哈米德在内的大多数理论物理学家都相信，除了希格斯粒子之外，一定还有别的东西存在——要么是超对称粒子，要么是大型强子对撞机最快在今年年底就能发现的其他新粒子。阿尔卡尼·哈米德说:“如果我们看到希格斯粒子之外的东西，那就太壮观了。”“如果我们没有看到希格斯粒子之外的东西:非常令人不安，非常奇怪。这给理论家提出了一个巨大的挑战，即试图弄清楚它是怎么回事。”

中国并不是唯一有兴趣建造下一代对撞机的国家。运行大型强子对撞机的欧洲核子研究组织(CERN)和日本都在探索这一想法。

希格斯玻色子解释了大多数基本粒子如何在与宇宙中无处不在的希格斯场相互作用时获得质量。它是标准模型中最后一个需要实验证实的元素，它的发现有望进一步理解质量的起源，并有助于澄清一些长期存在的谜团。

阿尔卡尼-哈米德说:“思考希格斯粒子可能来自哪里，开始变得非常非常混乱。”“粒子物理领域将如何发展，将在很大程度上取决于我们实际学到的东西。无论我们学到什么，都将把这个领域推向这样或那样的道路。”

大型强子对撞机是质子-质子对撞机，可以产生希格斯粒子和其他数十种粒子。拟议中的CEPC将在一个极其清洁的环境中碰撞电子和调整能量的正电子，从而产生数百万个希格斯粒子。这将导致更精确地理解希格斯粒子是如何产生的以及它们是如何衰变的。CEPC将展示其他粒子如何与希格斯粒子相互作用，以及外部探测器如何观察这种粒子。

第一阶段将专注于对希格斯粒子的微观研究。第二阶段将在大约15年后开始，包括建造能量为100 TeV的SPPC，比目前LHC的能量水平高出7倍多一点。除了推进高能前沿之外，SPPC还将测试希格斯粒子如何与自身相互作用，以及它是否像真正的点状粒子那样与自身相互作用。(设定15年的时间尺度的一个原因是，美国费米实验室生产的更强的磁体需要15年的时间才能产生如此高的能量。)

物理界，尤其是美国的物理界，仍然痛苦地回忆起当年国会正式否决了美国建造太空望远镜的努力超级对撞机1993年，美国成功建造了欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，将美国在高能物理领域的主导地位转移到了欧洲。当阿尔卡尼-哈米德第一次前往中国，与王和其他领导在中国建造下一代对撞机的人交谈时，他很快就意识到他们是非常认真的。“中国给整个讨论带来了一定程度的新鲜感。他们将需要帮助，但他们有经济实力和雄心，”Arkani-Hamed说。“如果物理学家能让他们参与到这项努力中来，那就太棒了——这是一个中国可以保证成功的大规模科学项目:他们建造了它，人们就来了，没有如果、并且或但是。”

对中国来说，建造拟议中的对撞机将是一个巨大的飞跃——为了支持它，中国物理界的规模将需要大幅增加。作为未来高能物理中心的主任，阿尔卡尼-哈米德招募了四五十名最亲密的朋友和同事来到北京，研究这些机器的物理潜力，进行讲座，与中国物理界互动，并“开始尝试为整个项目激发兴奋和热情，不仅在中国，而且在全世界。”

如果该项目继续推进，Arkani-Hamed设想参与到教育层面，帮助开发一个国际项目，将基础物理学介绍给本科二年级学生，并可能在中国、费米实验室和欧洲核子研究中心之间轮换。

“让二年级学生达到二年级研究生的速度是一件非常有趣的事情。我认为这是可能的，”Arkani- Hamed说。“规模将是巨大的。我们说的是数百人参与了这样的项目。”

推动阿尔卡尼-哈米德的是一种感觉，即物理学即将进入一个令人大开眼界的新时代。在电影中粒子热阿卡尼-哈默德和物理学家萨瓦斯·迪莫普洛斯被定位为两种不同理论的支持者——多元宇宙(阿卡尼-哈默德)和超对称(迪莫普洛斯)——但十年前，他们两人一起写了一篇论文，提出了一种介于两者之间的理论，非常适合LHC发现的质量为125 GeV的希格斯粒子。

Arkani-Hamed说:“像这个领域的每个人一样，我非常关心这个物理学。”“曾经有一段时间，理论家们假设和理论化很多是很有意义的，我做了更多的工作，人们还在继续这样做。我个人暂时离开了这个话题，因为我们即将发现这些问题的答案是否大致符合我们的预期。我在如坐针毡地等着。”

推荐阅读:提交给中国政府的报告副本，包括对撞机的物理论证和如何建造对撞机http://cepc.ihep.ac.cn/preCDR/volume.html．