欧洲粒子物理新政的全球化策略

　　更新后的欧洲粒子物理计划，或许为该领域的研究提供了一个全球化的方向。

　　欧洲粒子物理计划曾经仅为欧洲的物理学家提供研究方向；而5月30日出台的更新后的欧洲粒子物理计划，或许为该领域的研究提供了一个全球化的方向。

　　更新后的计划建立在2006年制定的原始战略的基础上。可以预见的是，它的首要侧重点是充分开发全球最大的原子加速器——位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室（CERN）的大型强子对撞机（LHC）。2010年，LHC开始收集数据，去年探测到科学家孜孜不倦追求的希格斯玻色子——这种粒子对于解释为什么其他基本粒子具有质量这一问题至关重要。

　　更重要的是，更新后的战略首次明确指出，欧洲愿意加入其他大型项目的研究，即使这些项目位于北美或是亚洲。CERN总干事Rolf-Dieter Heuer说：“一旦它们有一个明确的计划，欧洲愿意参与其他地区的研究项目。”Heuer也是欧洲战略集团的成员，该组织负责制定更新后的计划。

　　更新后的计划可能造成巨大的影响。最近，有一些小型的实验和粒子物理学家的课题集中在3个庞大的项目上。第一个项目是LHC，研究人员计划将该项目持续到2030年，希望发现其他的新粒子。第二个项目是近十几年来，科学家一直希望建造一台30公里长的国际直线对撞机（ILC）。ILC是一台超高能量的正负电子对撞机，让物理学家有能力深入研究LHC新发现的任何一种粒子。第三个项目是科学家致力于开展一个比现有实验规模更大的研究。中微子是一种极难被探测到的粒子，该实验旨在研究3种类型的中微子如何从一种类型转变成另一种类型——通常称为中微子振荡，这将有助于解释宇宙中的物质数量为何远远超过反物质。

　　但是由谁来建造美国研究人员一直想“据为己有”的ILC项目，物理学家们尚未达成一致。2008年，美国能源部（DOE）表示无法负担该项目50%的资金份额——约为70亿美元。之后，许多科学家认为，CERN是建造该设施的合适选址。然而去年，日本官方表达了对开展该项目的兴趣——2011年日本东北部海啸重建基金中的一部分资金将被用于ILC项目。中微子物理学方面的研究则更加迷雾重重：日本、欧洲及美国的物理学家都希望开展大型的中微子实验。

　　更新后的欧洲粒子物理计划中的两部分内容或许能够理清这些情况。关于直线对撞机，文件中提到：“日本粒子物理学界希望在日本启动ILC项目的举措是大受欢迎的。欧洲期待日本方面的提案，以讨论欧洲如何参与其中的事宜。”关于中微子物理学，文件中提到：“欧洲应该探索在美国和日本实施的长基线中微子项目中成为主要参与方的可能性。”

　　有意参与国外项目的理念，有助于探索出粒子物理学更广泛的全球性方案。人们可以设想，把领域内各个信息点连接起来，例如，日本建造了ILC，美国开展了大型中微子实验。当然，迄今为止，没有任何人敢担保，日本政府真的能拿出数十亿美元，投资ILC项目。

　　然而，更新后的战略无异于为美国科学家的长基线中微子实验（LBNE）计划打了一针强心剂。LBNE实验将利用3.4万吨液态氩——储存在南达科他州里德附近废弃的霍姆斯特克矿地下1480米处——探测从1300公里外的伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室发出的中微子束。

　　然而，2012年3月，DOE表示，很难为这项实验计划提供19亿美元的经费，进而要求以更低的成本开展该实验。纽约州阿普顿布鲁克海文国家实验室的物理学家兼LBNE合作项目共同发言人Milind Diwan说，物理学家目前计划在霍姆斯特克矿表面，建造由1万吨液态氩构成的探测器，总花费为8.67亿美元。为了使实验能顺利进行，探测器必须建造在地下以避免宇宙射线的干扰。目前，LBNE的研究人员和费米实验室的官员正在寻求其他国家对该项目的出资。

　　欧洲的参与以及随之而来的资源，使LBNE成为世界级的开拓性实验。然而，LBNE的研究人员可能仍觉得自己陷在困境中。Heuer说，只有在美国承诺开展第一流实验的前提下，欧洲才愿意参与其中。主动权掌握在美国手中。Diwan认为：“LBNE要想成为世界顶级的项目，意味着它要建立于在地下建造实验设施的想法上。欧洲希望美国这次作出点举世瞩目的成绩。如果这是个处在衰退中的、所获投资甚少的实验，欧洲不会选择参与。欧洲希望美国承担起这一领域的研究重任。”

　　粒子加速器是用人工方法产生高速带电粒子的装置，是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在工农业生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。目前主要有以下几类粒子加速器。

　　同步加速器：它的主导磁场是随时间改变的，以保证带电粒子在恒定轨道上回旋。为此，磁铁做成环形的，可使磁铁重量减轻。加速电场是交变的，其频率随着带电粒子回旋频率的改变而改变，以保证谐振加速。同步加速器既能加速电子，称为电子同步加速器；又能用于加速质子，称为质子同步加速器或同步稳相加速器。用于加速重离子的同步加速器，顾名思义应称为重离子同步加速器。

　　回旋加速器：又称为微波回旋加速器，专门用于加速电子。这一类型的加速器中，轴向磁场是均匀的，加速电场的频率也是恒定的，而所不同的是让加速间隙位于磁极的一端，电子的轨道为一系列与加速间隙中心线相切的圆。电子每回旋一圈，就被加速一次，只要回旋周期等于加速电压周期的整数倍，就有可能进行谐振加速。电子回旋加速器的能量都不是很高，最大的也不过几十兆电子伏特，束流强度为30～120微安，大多数用于医疗和射线剂量学等方面。

　　环形加速器：被加速的粒子以一定的能量在一圆形结构里运动，粒子运行的圆形轨道是由磁偶极所控制。和直线加速器不一样，环形加速器的结构可以持续地将粒子加速，粒子会重复经过圆形轨道上的同一点，但是粒子的能量会以同步辐射方式发散出去。

　　直线加速器：带电粒子在直线中加速，运行到加速器的末端。较低能量的加速器例如阴极射线管及X光产生器，使用有约数千伏特直流电压(DC)差的一对电极板。在X光产生器中，靶本身就是其中一个电极。