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2018 年度盘点 · 哪些领域涌现出了具有发展前景的技术?

图片:CERN

2018,一年又这么到头了。如果要你说出这一年来最让你难忘的,你最先想到的会是什么?

也许,有某些深刻的变动发生在了你关心的领域和行业里,发生在了你留意过的人身上;或者,也有一些值得被述说的东西,就发生在我们身边。

而你和我,都是它们的见证者和亲历者。

这些物、这些事,在接下来的两周里,「2018 年度盘点」专题将带你一起回顾。欢迎在评论区和我们聊聊你的所见、所感。

2018 年,你的研究领域涌现出哪些具有发展前景的方向和技术?

海伯利安,汪!

我来抛砖引玉介绍一种 高能物理实验 的未来神级技术——光子对撞机。

高能物理实验往往需要使用 粒子对撞机 加速带电的粒子,带电粒子不断被加速到接近光速,它们以极高的能量头对头撞的粉身碎骨,质量转化为能量,能量又转化为质量,创造出新的粒子。

对撞机能让粒子获得极高的能量,是利用了电场对带电粒子的加速作用,这意味着粒子只有在带电的情况下,才能被对撞机加速获得更高能量。所以现在的高能物理实验中使用的粒子对撞机要么加速电子(例如北京正负电子对撞机),要么加速质子(例如欧洲的大型强子对撞机),也有加速带电的重离子(例如兰州近代物理所的重离子加速器)。

一种粒子要能被对撞机加速提高能量,粒子必须稳定而且带电。迄今为止,国际高能物理学界建造了超过 20 台正负电子对撞机,5 台强子对撞机,1 台电子质子对撞机,还设想了正负 mu 子对撞机,这些对撞机都基于带电粒子。

然而,我们从未建造过光子对撞机。

现在的对撞机对“光子”束手无策,北京正负电子对撞机没法直接提高光子的能量,欧洲大型强子对撞机也没辙,因为光子是中性的,勉强不来。

范遥眉头一皱,说道:“郡主,世上不如意事十居八九,既已如此,也是勉强不来了。”
赵敏道:“我偏要勉强。

物理学家像赵敏一样不服气,偏要勉强。光子不带电,怎样才能提高光子的能量?答案是:逆康普顿散射。

在“康普顿效应”中,高能光子和低能电子发生碰撞,光子的能量传递给电子导致光子能量降低变成低能光子。“逆康普顿效应”则反之,低能光子从高能电子处获得能量变成高能光子。

在光子对撞机中,光子通过逆康普顿效应获得更高的能量,随后可以让光子相互碰撞产生其它新粒子。光子对撞机提高光子能量的原理并不复杂,那为什么我们迄今没有造出光子对撞机?

主要有两方面的原因:

(1)光子对撞机的概念是作为高能电子对撞机的补充而提出的,比如日本未来计划建造的国际直线对撞机 ILC,欧洲未来的 CLIC,原计划的 ILC 和 CLIC 的电子能量高达 TeV 量级,依托它们的光子对撞机能量甚至更高,属于高能物理的“能量前沿”。在这种情况下,ILC 和 CLIC 本身都还没有建造出来,更不要说依托 ILC 和 CLIC 的光子对撞机了,乐观估计还要等个二十年吧。

(2)光子对撞机的概念多年前就被提出来了,一直以来,光子对撞机需要的超强激光技术仍不成熟。

不过近几年,“事情正在起变化”。

为什么我们要一根筋的直接冲着高能量去呢?我们不一定从一开始就造个 TeV 高能量的光子对撞机,何不选择先建造一个低能量的作为起步?希格斯玻色子在 2012 年被发现的时候质量是 125GeV,远低于当初人们的预期,日本人还因此改变了国际直线对撞机的方案,把计划的能量调低了跟中国的环形正负电子对撞机竞争。

针对(1),如果建造一个超高能的光子对撞机,会有很多不确定性,我们没法预期超对称粒子或者其它新物理现象的能区是多大。研究希格斯粒子需要几百 GeV,研究粲夸克只需要几个 GeV,研究 mu 子的相关物理仅仅需要几百 MeV,研究光子和光子之间的散射甚至要几个 MeV 的能量就足够了啊。如果是这样,造一个能量较低的光子对撞机已经够用,低能量的光子对撞机不需要超高能电子加速器,现有的电子加速器已经够用!

针对(2),与光子对撞机概念刚刚提出的时候不同,如今的强激光技术已经获得长足发展,现在的激光技术已经可以满足建造较低能量光子对撞机的需求。

光子对撞机的基本构型示意图如下:

如上图所示,两束高能电子束相对运动(图中带箭头的红线),分别朝着两电子束发射激光,激光与电子束迎面碰撞发生逆康普顿散射被反弹获得更高的能量,两束被反弹的高能激光(图中带箭头的蓝线)相互对撞,就可以产生新的粒子。下面的图更详细地描述了激光被加速和对撞的过程。

需要注意的是,“低能量”光子对撞机的“低能量”是相对于超高能量的 TeV 光子来说的,这种“低能量”的光子仍然比日常生活中的可见光能量要高得多,传统的激光器仍然没法产生实验所需的能量足够高的“低能量”光子。

与传统激光器不同,未来的光子对撞机所用的激光很可能来自“自由电子激光”(FEL),这是一种来源于二十世纪 80 年代美国“星球大战”计划军用激光武器的技术。传统激光器在产生激光时需要激光介质,利用介质的受激辐射产生激光。自由电子激光不需要传统的激光介质,它使用粒子加速器加速电子到接近光速,让高能电子在周期性振荡的磁场中运动,电子即发射出高能光子。

上世纪的美国为了发展激光武器拨款给科学家研究自由电子激光,科学家发展这项技术用于科学研究,这是另一个故事了。

长远来看,想要建造一台用于产生希格斯粒子的高能光子对撞机,是一件有点遥远的事情。因为日本的国际直线对撞机和欧洲的 CLIC 想要建成,起码要等二十年。

建造世界第一台光子对撞机却不一定奔着高能量去,一个低能光子对撞机是可期的。近几年,意大利和日本都提出了他们的低能光子对撞机计划,自由电子激光技术的发展大大提高了光子对撞机的建造可行性,世界上的第一台光子对撞机很有可能在未来几年出现

低能光子对撞机可以用于研究光子和光子之间的散射,还有光子对撞产生正负电子对的过程。这是量子电动力学已经预言,实验却尚未发现的现象。中能光子对撞机可以用来研究 c 夸克物理或 b 夸克物理,高能光子对撞机可以用来研究 W/Z 玻色子和希格斯粒子。对于希格斯工厂来说,光子对撞机可以通过

直接产生希格斯粒子,和正负电子对撞机通过

产生希格斯粒子相比,光子对撞机需要的能量更低而且更干净。

2018 年 8 月的北京香山科学会议上,中国科学家也提出了自己的光子对撞机方案,利用中国现有的电子加速器进行改造即可。现有的北京正负电子对撞机,合肥光源,上海光源都有改造的潜力,改造的花费预计在 1 亿人民币左右,这个预算包括了加速器、激光和探测器,改造需要的时间大约 3~5 年。

相比于环形正负电子对撞机 CEPC 的近 400 亿人民币预算和 15 年左右的建造周期,光子对撞机的费用和时间要少得多,这不失为北京正负电子对撞机退役之后的一个备选方案。

【完】

参考资料:

[1] Weiren Chou, Introduction to Muon Collider & Gamma Collider

[2] Kwang-Je Kim & Andrew Sessler, Gamma Gamma Collider

[3] ICFA Beam Dynamics Newsletter No. 60

[4] 香山科学会议第 631 次学术讨论会报告

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