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石破天惊!美国要建μ子对撞机?科学和技术大都还不存在!

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如果要你选一件人类历史上最令人咋舌,看似最不可能做到但却成功做到了的壮举,你会选什么?很多人可能会选择登月,为什么?因为还有很多人仍不相信已经登月。而现在,另一个看似不可能做到,堪比登月的壮举正在悄悄酝酿,这就是看似没有任何可能的μ子对撞机。是的,你没有听错,科学家们已不再满足于在太空留下脚印,而是要到粒子世界里去掀起风云!

为什么μ子对撞机看似不可能呢?很简单,μ子是一种类似电子,带负电的基本粒子,它的寿命只有2.2微秒,这意味着即使以光速奔跑,它也只能跑上660米就会“心肌梗塞”,一命呜呼,怎么在数十公里的隧道里加速对撞呢?所以这就是为什么建μ子对撞机堪比登月了,科学家们需要把不可能变成可能。

那为什么要建μ子对撞机呢?《三体》里物理学不存在了,因为智子锁死了地球科技,怎么锁死的呢?干扰粒子对撞机,让人类无法进行基础科学研究。所以建μ子对撞机还需要理由吗?



当然需要!现在的对撞机主要是电子对撞或质子对撞,欧洲核子研究中心(CERN)2012年发现上帝粒子希格斯玻色子后,准备建一条比现在长3倍,90公里的环形隧道,先进行电子和正电子的碰撞,以“量产”希格斯玻色子进行研究。然后再改造成100TeV的质子对撞机,以寻找新的物理学,但时间已排到2070年了。

然而这里有一道迈不过去的“坎”,在环形加速器中带电粒子会因曲线运动而发射同步辐射,这就是轫致辐射或刹车辐射,这会导致能量的不断损失,这种损失与粒子能量的四次方成正比,质量的四次方成反比,这意味着质量越小的粒子损失越大,所以电子-正电子对撞能量无法超过1TeV,而质子-质子对撞的上限也只有100TeV。

这就像汽车在1000米的直道上行驶,很容易就加速到200公里/小时,但你要在1000米的环形跑道上行驶,由于汽车需要克服离心力,你不得不频繁刹车损失能量,所以可能就只能加速到100多公里/小时了。



然后就是建造90公里的环形对撞机,成本可能达到惊人的300亿美元,而质子对撞能量要高于100TeV,可能还需要更强大的技术,比如更强的超级磁铁和更先进的超导技术,所以欧洲到现在都还没有完全敲定。

而μ子,简直就是上帝专门派来打发电子去打酱油的。它的性质和电子相似,只是重了206倍,介于电子和质子之间,所以它又叫μ介子。你可以简单地把它看成是一个“肥胖版”的电子,由于比电子重206倍,它在环形加速器中损失的轫致辐射会少206的四次方,也就是18亿倍,这意味着在小得多的环形加速器内,就可以加速到同样的能量。

据估计,一台10TeV的μ子对撞机,就可以达成和100TeV质子对撞机相同的科学,而它只需要和费米实验室一样长的隧道,也就是6.3公里,远远低于欧洲90公里的未来圆形对撞机。另一个关键就是,μ子是基本粒子,这意味着它们的碰撞比质子等复合粒子的碰撞更“干净”,结果更容易分析。



还有就是μ子质量比电子大得多,与希格斯玻色子之间的耦合更强,再加上更高的能量,μ子对撞机因而能更高效地产生希格斯玻色子,而且碰撞更“干净”,背景噪声更低,更容易识别希格斯玻色子的信号,因而是研究希格斯玻色子的强大工具。而希格斯玻色子,所谓的上帝粒子,那可是科学家们梦寐以求的研究对象,因为它可以帮助我们揭开,质量究竟是如何而来这一宇宙终极问题的答案,提供我们宇宙如何运作的深刻见解。最后就是μ子对撞机耗能更低,建设成本更便宜。

所以你看,μ子对撞机如此完美,不建简直是天理不容,对不起列祖列宗啊。然而正如我们开头所说,建造μ子对撞机可能比登月还难,目前还没有强有力的科学支持,也没人知道究竟能不能成功。因为在2.2 微秒,μ子生命短暂的“有生之秒”内,你需要从质子加速器捕获它们,冷却、加速并完成整个碰撞过程。就像一眨眼的时间,你就得从出生开始,完成上学、结婚、生子、衰老、死亡的整个过程,这不是强“μ子”所难吗?做不到,怎么都做不到!



国际μ子对撞机合作组织研究负责人丹尼尔·舒尔特感叹地说,要是μ子寿命再长一点,直接就可以开建了,哪还用得着这么纠结。他认为最大的挑战之一,就是开发新的高温超导磁体,一旦质子碰撞产生μ子,就需要马上冷却减速成可用的μ子束,然后用快速循环的高速磁体,对μ子束进行有效加速,同时保持对μ子束的精确控制。而这需要的磁体开发、加速技术、光束聚焦等技术,目前大多数都还不存在,或处于起步阶段。

看起来真的是希望渺茫,此生无望!不过我有一个好消息,目前μ子的唯一天然来源,是宇宙射线冲进地球大气层,高能质子撞击分子产生π介子,π介子寿命更短,冲刺7.8米后就会摇身一变,衰变成μ子。现在让你瞠目结舌的事情来了,科学家们的观察发现,大多数的μ子是在15公里高空产生的,而这些μ子竟然能冲到地面,甚至数百米深的矿井中,说好的只能跑660米呢?这15公里即使光速来跑,也要50微秒啊,μ子是怎么做到下定决心,不怕牺牲,屏住呼吸,坚决不咽气的呢?



经常看我频道的朋友可能早就明白了,这是爱因斯坦相对论效应的经典案例,当μ子以接近光速运动时,由于时间膨胀,虽然它自己感觉2.2微秒后就要说再见了,但作为地球上观察者的我们,却发现它时间膨胀,被拉长超过了50微秒,因而能够飞行更远的距离,理论上它的能量越大,我们看到它存活的时间就越长。



这就给我们带来了无限遐想,原来宇宙自个儿在帮我们寻找解决办法,我用GPT4算了一下,如果我们能把μ子加速到10TeV,它的寿命将达到208毫秒,也就0.2秒,这足够科学家们进行一系列复杂的操作了吗?

我还不太清楚,不过美国20年前就成立了一个粒子物理项目优先小组 (P5),专门评估大中型物理研究项目,每10年召开一次会议,提出未来10年美国对粒子物理研究的投资计划。在去年12月的报告中,他们提出一个重磅建议,下一个10年美国应该启动μ子对撞机,首先是将技术发展到原理证明的程度,并最终在美国本土建造一座全尺寸的μ子对撞机。

“虽然我们不知道μ子对撞机最终是不是可行”,但这符合美国主办大型国际对撞机设施的雄心,让美国能够领导全球努力了解宇宙的基本性质,这就是新时代的“μ子发射”。我估计这意思是和登月相比,登月是发射火箭到太空,μ子对撞机是发射粒子到量子世界,真的是上穷碧落下黄泉啊。



欧洲核子研究组织则在2020年完成了一项未来战略研究,呼吁进行μ子对撞机的研究和开发,随后利用种子资金成立了国际μ子对撞机合作组织,希望通过国际合作开发μ子对撞机,目前全球约有200名科学家正在开发对撞机所需的概念和技术,美国费米实验室是潜在的μ子对撞机建造地。

和当初登月一样,μ子对撞机目前也处于没有人知道是否可行的阶段,但无论如何,就像当初登月开发的各种技术一样,μ子对撞机开发催生的新技术、新材料、新理论,也将可能促进人类科技水平的迅猛发展,并带来人类文明的巨大进步,所以绝对是“值得一试”的疯狂冒险。

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