美国拟建造一台新的粒子对撞机 物理学家希望用它来发现新的粒子

美国建造一台新的粒子对撞机的势头越来越猛，后者可以粉碎比电子更重的“表亲”——缪介子(μ子)。物理学家希望用它发现新的粒子。

尽管μ子的短命特性使得这种对撞机在技术上难以建造，但它的主要优势在于可以设计得更小、更便宜。不过，实现这一愿景还很遥远，最早也要到2040年，但其倡导者表示，现在就需要开启研发工作。

现在，世界各地的物理学家都在考虑这种对撞机的可行性。美国伊利诺伊州巴达维亚费米国家实验室的粒子物理学家Karri Di Petrillo说，这是一个“大胆而有前途的愿景”。

2012年，瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)发现了希格斯粒子，但并没有发现许多物理学家期望的其他新粒子，有人认为这可能是因为超出了机器的能力范围。相反，μ子对撞机将是一台“发现”机器，能够通过前所未有的能量碰撞找到新的粒子。

物理学家对μ子对撞机的支持出现在“斯诺马斯”期间，这是美国粒子物理界每十年一次的重大规划活动，旨在提出科学愿景。组织者会把数千名科学家的观点提炼成一份报告，最终影响美国政府的资助。在物理学家撰写的“能源前沿”部分的白皮书中，几乎有三分之一是关于μ子对撞机的。

μ子可以被加速到比电子更高的能量，因为它们在同步辐射时损失的能量更少。它们比质子碰撞有更大的优势。这包括粒子组成的夸克之间的碰撞，每个夸克只携带总碰撞能量的一小部分。因为μ子是基本粒子，每次碰撞都涉及粒子的全部能量。这意味着一台10万亿电子伏特、10公里长的μ子对撞机，可与CERN建造的100万亿电子伏特、90公里长的质子机器产生能量相同的粒子。

μ子对撞机的概念自20世纪60年代就已存在，但直到最近几年才开发出可行的技术来处理μ子的特性，包括μ子容易衰变、产生令人讨厌的背景噪声、很难诱使其形成强流束等。明尼苏达大学的物理学家Priscilla Cushman说，美国物理学家之所以兴奋，是因为有足够的时间来开发和制造这台机器，以取代希格斯粒子工厂。

费米国家实验室的粒子物理学家Joel Butler说，它是否会在美国建造取决于资金、政治及技术的可行性。斯坦福大学粒子物理学家Caterina Vernieri说，人们对μ子对撞机的热情与对成本和可持续性的关注相关。

过去十年，无论是在设计用于寻找暗物质的大质量探测器上，还是在大型强子对撞机上，都未能找到理论上预测的一种暗物质，即弱相互作用大质量粒子(WIMP)，这意味着暗物质肯定比人们想象的更奇特。

奥地利格拉茨大学的暗物质物理学家Suchita Kulkarni说，物理学家希望寻找更轻的暗物质候选者，并重新审视他们的研究。考虑到暗物质可能作为一个整体而不是一个粒子存在，斯坦福大学的物理学家Micah Buuck说，要找到它就需要进行一些大型而敏感的实验，比如那些已经在寻找WIMP的实验，还有更多的小型实验。

明年将是关键时刻。届时美国联邦粒子物理优先小组将利用斯诺马斯的结论和预算方面的考虑，向能源部和国家科学基金会的出资人提出未来十年的投资建议。(李木子)

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