我们关于中国的“超级对撞机工程”争论的意见 2

对撞机争论 2

龚天任,李小坚

一、 事实

事实1:始于1976年的美国超导超级对撞机的设计SSC(在德克萨斯、美国),其使命是探索发现希格斯玻色子(Higgs粒子)和超对称粒子SUSY。当时,物理界对希格斯玻色子的理论认识还是很少。因此,SSC的战略目标是建立一个“覆盖所有”可能的全能对撞机。以当时的超导技术,能够制造出来的最好的对撞机单注流是20太电子伏特( TeV),其结合能是40 TeV。

事实2:1990年物理界的共识是:在美国费米实验室,1987开始运行的Tevatron级别的加速器,其结合能量为2 TeV,可以以很高的概率发现希格斯粒子。此外,在欧洲核子研究中心大型正负电子对撞机LEP(运行于1989年到2000年)的数据进一步肯定了上述共识。

事实3:以当时的LEP对撞机隧道完全可以很容易地升级达到质子对撞要求的14 TeV(7倍于Tevatron的能量)。也就是说,升级LEP后有足够的安全边际去发现希格斯和其它理论粒子,如果希格斯和其它理论粒子存在的话。

随着以上三个事实表明,继续建造SSC项目将不仅是浪费,而且肯定是愚蠢的行为。因此,在1993年SSC项目被取消。虽然,SSC项目已经开始,整个SSC主隧道已完成,而且已经花费了约30亿美元。

事实4:今天的超导技术比25年前的90年代的技术更先进了许多,更容易建造更先进的超级对撞机。SSC项目的主隧道也还可以用于建造100 TeV的对撞机。也就是说,70%的建筑费用已经支付的情况下,美国通过组织50多个国家的国际合作,完全可以几乎没有成本地建造一个新的100 TeV的对撞机!如果美国重新组织超级对撞机工程,这将是一个轻而易举的事情!而且,这样的项目建设将为美国提供许多建筑工程和高级科学研究的工作岗位。

问题:为什么美国在几乎没有成本的情况下,对建造一个新的100 TeV的对撞机不感兴趣呢?

 二、赌注

上述事实表明,希格斯玻色子本应该在2 TeV的对撞机上就可以被发现。也就是说,欧洲核子中心CERN,运行于1989年到2000年的大型正负电子对撞机LEP工作在此能级范围,但是,没有发现希格斯玻色子,也没有发现超对称理论宣称的SUSY粒子。因此,CERN组织多个国家升级了LEP,建造了强子对撞机LHC。而且LHC的使命不仅希望发现希格斯玻色子,还希望找到更多的超标准模型(BSM)粒子,尤其是S-粒子(SUSY)。请看1993年欧洲核子研究中心的新闻发布会上的报告:

https://press.cern/press-releases/1993/12/large-hadron-collider-presented-cern-council

当时,许多著名的物理学家,如戴维·格罗斯(诺贝尔奖得主)和Frank Wilczek(诺贝尔奖得主)等,做过一些详细的计算和预测,当LHC采集50 fb-1  数据量时,就会发现SUSY粒子。2001年,物理学界有22位著名人士立下字据对赌,赌注是到时能否发现超对称理论粒子SUSY。到了15年后的2016年八月,对赌条件得到满足,戴维·格罗斯为首的一方认为能发现SUSY却失败了。2016年8月22日,“SUSY对赌清算”活动在哥本哈根举行。请看:

https://www.quantamagazine.org/20160822-supersymmetry-bet-settled-cognac/

另一个著名对赌是在2009年立下,诺贝尔奖获得者Frank Wilczek与一个物理民科,关于6年内LHC将发现SUZY粒子的赌注。2015年七月终于有了结果。民科赢了!请看:

https://www.physicsforums.com/insights/superparticle-bet-frank-wilczek/

以上这些赌注说明什么?

一般来说,赌注是一种赌博游戏,就是参与者中看谁的运气好。在任何形式的投注中,事实上有两部分:

赌博玩家:希望好运,但获胜的几率通常很小。个人的赌注,基本是基于希望有好的运气。另外,小赌怡情,只不过是一个娱乐。

庄家与运营商:通过胜率的精确计算与一些非常复杂博弈方程,可以做到稳赢不输。每个运营商制定的赔付率,确保***(庄家)总是赚得很大的利润。然而,最复杂的赌博是保险公司,有非常复杂的支付/保费方程。所以,彩票和保险也是基于非常精确的科学计算的商业活动。

但是,超级对撞机这样的科学工程,这不是一般的赌博情形,而是一个高风险、高期望、高度复杂的项目。而且,很多物理学家参与其中,试比技艺高低、运气大小之科学娱乐对赌。而一个国家参与,这将是一个很大的赌注。

中国是否应该为建立SC(Super Collider)投下一个可能超过1000亿美元的大赌注?

三、物理学家如何计算他们的赌注?

当然,物理学家尤其是诺贝尔奖获得者,他们可以使用最好的理论和最权威的数据来预测结果。事实上,很多***公司采用了高深的物理数学理论来计算胜率与赔率。但是,这些高深莫测的物理理论如超对称理论是非常深入的专业知识,超出了大多数普通人的预计。幸运的是,在所有这些复杂的数学和术语后面,其基本的逻辑是非常简单的。只是普通的感觉判断,几乎所有非物理学家也能运用。我们将用三个常识类比来描述它。

1.城门理论:

今天,物理世界只有4个已知的基本力:电磁力、弱力、强力、重力。其中三种力是建设性的力,就是这样的力能创造世界上的物质结构。

原子和分子基本上是由电磁力构建出来的产物。电磁力将原子核与核外电子维系在一起。强力将构建立一个“铜墙铁壁”类似的核子牢笼,使质子和中子安稳居住其中。而重力构建了太阳系、星系、超星系等宏观大结构。

另一方面,弱力是破坏性的,打破分开现有的东西。最好的例子是中子β衰变,它破坏中子的铁壁牢笼,将其转化为三个粒子。所以,关于自然宇宙的整个故事就是关于构建和破坏的历史。构建者建造墙壁、屋墙、城墙等。破坏者不断打破窗户和门墙、房壁和城墙。

基本上,整个可见宇宙是由质子和中子建造的,这个建造基本单元质子与中子需要大约1吉电子伏特(1GeV)大小的质能。

因此,我们取1GeV的质能尺度作为坐标轴单元。那就是,粒子物理尺度可以看到的所有建筑都可以在5GeV空间里面。然而,打破这些建筑结构,使之破碎成为砖头、窗户和门结构的基本单元,需要的能量约为100GeV电子伏特。

现在,我们可以看到整个可见的宇宙作为一个城市(城门与城墙),而城门坐落在约100GeV电子伏特的标志处,这是所谓的“弱规模”的物理区。城里面的一切都是可见的,没有什么东西是不可见的!如果存在有不可见物质的话,那一定是城外派来的奸细。因此,超对称粒子或其它的不可见物质,它们必须都是距离城门外超过约100GeV电子伏特弱规模领域以外来的异客。

2.沙漠理论

沙漠理论认为城外是一大片沙漠。这个沙漠到底有多大,谁也说不清楚。因此,我们可以说这个看不见的无形的东西作为外国人,他们生活在一个遥远的地方,大约居住在1GeV的数百或成千上万倍的距离,用1GeV的1000倍即1TeV能量刻度标记之。

然后,有A和B两种情况。

A.这个市(可见宇宙)和国外是完全为沙漠所分离,不可能穿越沙漠把两者之间的联系起来。那么,这个外国对这个城市(可见宇宙)毫无意义。因此,它存在不存在,对这个城市没有区别。

B.这个城市(可见宇宙)和那个外国有一些或多或少通讯和联系。

但是,外国与这个城市沟通的唯一途径是有道路到达这个城市的城门,在约100GeV电子伏特处进行沟通交流。

如果通信交通非常稀少,那么,外国应该在沙漠的边缘,尽量离城市大门近一点的地方,建有它的联络站或驿站。为了方便必要时联系,它的信使可以留在这个离大门有点远的驿站里,但也不要太远以致不能到达。

3.超级灵丹妙药理论:

这个城市的居民得了症状很严重的疾病,或有许多先天缺陷。他们城市的(可见的宇宙)最好医院开出的标准诊断处方–标准模型(SM),仍然不能医治和解释以下症状:

中微子的质量

暗能量/暗质量

重子产生

能量等级

重力产生,等。

于是,这是这个城市认为需要看不见的神奇药物:WIMP可以很好医治这些病症,还有更为神奇的药物SUSY,是超级灵丹妙药。

有了以上城市和沙漠两种理论和超级灵丹妙药理论,这个城市的人就要进行博弈,赌注投注变得非常容易了。

首先,这个城市(可见宇宙)至少需要一种神奇的药物医治自己的病症。如果不是超对称SUSY超级灵丹妙药,将有别的药物如WIMP。

SM-11

其二,如果这个神奇的药物真的能治愈这个城市的疾病,它必须在这个城市展示其超级神奇的魔力,也就是说,这个魔力必须在这个城市的范围内(在其城门100GeV内)起作用。

SM-12

在欧洲核子研究中心大型正负电子对撞机LEP,本来作为一个可以彻底搜索城市(弱规模范围)的对撞机,LEP应该能发现超对称型颗粒SUSY。因此,许多物理学家就把赌注投注在LEP可以搜查到SUSY。

有更保守一点的物理学家,根据他们的计算表明,城市可能不需要大剂量的超级灵丹妙药;即SUSY使者可以呆在离城门有点距离的地方,即SUSY可以在10倍-20倍的距离,远程治疗这个城市的疾病。因此,他们中的许多人把他们的赌注押在Tevatron距离范围看到SUSY。

当然,最谨慎的物理学家(如诺贝尔奖获得者,戴维·格罗斯,等)以高于20倍的安全边际做赌注,赌在比LEP更高能级范围的LHC的2TeV ,甚至放大到14TeV上(14TeV / 100 GeV=140倍) 看到SUSY。

到目前为止,所有这些赌能看见SUSY的赌徒都失败了。

 

四、新的赌注

任何热衷于超对称SUSY的参与者,现在是时候投下新的赌注了。也就是说,先对如何找到SUSY的胜率作出非常精确的新计算,看看有多大胜算。

有三种不同的方式,可以帮我们找到无形的隐藏的物质。

第一种,{直接逮住}:直接把SUSY抓在手里。一般来说,我们物理学家要使用大的对撞机。

第二种, {侦查出来}:虽然不能看到你,但通过运行所有的寻找路径排查,我一定会碰到你。如果这个隐藏的东西稳固地偷偷地存在,你在和我捉迷藏。如果你在我的跑步的路上,我会看到你的踪影,或是发现你隐藏通道或是隐藏的洞穴。在所有的运行路径旁边,如果有任何’旁观者’或’隐藏通道的洞穴’,我总是会发现其踪迹,我们还可以运用一些类似福尔摩斯探案分析办法侦查出来。

第三种,{太空捕捉影子}:

宇宙本身是一个极大的对撞机,宇宙中无数次的星体碰撞及其爆炸比任何建在地球上的对撞机来得猛烈。宇宙必定会留下对称粒子物质的蛛丝马迹。因此,直接从太空观测中捕捉对称物质的影子。

现在,有许多不同的探案资料,这个可以帮我计算出现对称物质SUSY的赌注胜率。

第一个案例:ACME(高级冷分子电子)EDM(电偶极矩)数据。电子是一个量子型粒子,也就是说,它不是静止不动,而是在各个方向舞蹈,形成电子云。然而,电子携带的电磁魔杖,它能影响达到非常非常遥远的距离。如果任何“旁观者”站在它舞池的旁边,它的舞蹈空间将被封锁那个特定的地点,它的电子云会变形。这种变形作为EDM可以测量到。见下面的ACME数据:

SC-11

SC-12

以上ACME数据说明了什么?

1.电子云不变形,即无旁观者,也无隐形粒子隐藏洞穴。

2.这个数据比LHC数据更强大有力。

3.这一数据表明,在80TeV到100 TeV下面没有旁观者,也没有隐藏的洞。

第二个案例:LHCb数据(BS0 介子的衰变):如果在BS0 介子的衰变通道的周围有一个旁观者或隐藏的洞,BS0 介子的衰变通道将被扭曲。LHCb表明:{这一新发现限制了其它超越SM物理模型的机动空间:将来所有候选摸型都必须证明它们符合这个重要的测试结果。}。那就是,LHCb数据在不低于100 TeV的范围内,没有超对称或其它隐形粒子在其周围。请看:

https://home.cern/about/updates/2017/02/standard-model-stands-its-ground 。

第三个案例:弱互相影响大粒子WIMP的数据。在可见的宇宙,没有超对称SUSY。WIMP被称为最好的超对称SUSY的候选者。以下是WIMP的数据(来自许多不同的研究小组)。

SC-13

这些数据说明什么?

1.黄色部分是中微子的最低边界,没有WIMP或没有超对称粒子。

2.所有绿线以上区域均排除有WIMP粒子。

3.绿线与棕黄区之间的白色区域并没有完全排除。

这一数据表明,高能量的区域(100TeV,200TeV,…,1000 TeV,…)排除了几乎所有的WIMP物质(如SUSY)。

4.2016年LUX的数据排除了存在WIMP,2017年,LHC数据进一步排除了WIMP。无WIMP粒子是多家国际机构的数据达成的共同结果。

以上数据均来自地球实验。然而,我们仰望天空,看看是否可以从太空捕捉到对称粒子的影子。这些发生在遥远深邃的太空的历史剧,产生了许多的碎片:(伽马射线,高能粒子,中微子等),其中一些朝着我们的方向来到地球。我们通过高度精密的科学仪器设备捕捉这些历史的碎片或影子,我们可以阅读太空的历史故事。

首先,γ射线:费米伽马射线太空望远镜

https://fermi.gsfc.nasa.gov/ )。没有WIMP(SUSY)。

其次,高能量的粒子(特别是反粒子):AMS-02数据,没有WIMP。

这些高能量的反粒子(AMS-02)数据可以认为是由一些过程类似于10000 TeV对撞机或更高能量的对撞结果。

SC-14

其三,一些太空对撞能量可能超过LHC强子对撞机几万倍之大。根据定义,WIMP(或SUSY)应该渗透在整个空间;即其产生的故事的碎片,应该倾注在地球所有方向,或有衰减或淹没。在这两种情况下,它们的碎片之一中微子,肯定可以达到地球。

中微子是最大的{太空捕捉影子}。当月球位于地球的另一侧时,我们可以看到中微子穿过月球。观察看到一片与冰块似的月球宇宙射线阴影(https://arxiv.org/abs/1305.6811 )。以下是月亮以中微子的冰块影像。

SC-15

最近的数据表明,冰立方中没有惰性中微子;即,太空没有未知的粒子产生过程。这些数据再次让SUSY出现的希望破灭。

SC-16

这些天体的数据,在数千倍TeV能量级别下面,均没有发现超对称粒子的蛛丝马迹。

有了以上的地球上和天体上的两组数据,我们个人可以跟SUSY赌徒投下我们的赌注,而且,我们相信我们稳操胜券。

但是,这个是不是中国政府关注的超过1000亿美元的大赌注呢?

五、 美国的赌注是什么?

1.在1993年:美国国会认定了建设超级对撞机SSC不仅是浪费,而且完全愚蠢。

2.在2017年:美国可以不用从自己的口袋出钱,而从别的国家筹集资金,建设一个100 + Tev 超大对撞机,美国干不干?虽然不用自己出钱,但要借用那个已经挖好的隧道来建超大对撞机,这仍然被认为是一个极大的浪费,这个地方应该留给未来别的用途,或许带来惊喜回报。

3.Muon-μ介子对撞机的建造:

http://www.cap.bnl.gov/mumu/info/intro.html )

质子对撞机的能效非常低,只有小部分的总能量的在有效工作。质子对撞的背景噪声非常凌乱嘈杂。另一方面,μ介子对撞机几乎将达到100%的总能量利用率,几乎没有混乱的背景噪声。然而,μ介子寿命很短,也就是说,需要一些非常先进的技术控制对撞过程。这需要很多,很多钱。

4.深海中微子探测器:

(https://www.wired.com/2011/05/antares-neutrinos/

https://en.wikipedia.org/wiki/ANTARES_(telescope) )

中微子是最强大的探测工具,中微子还是最不被理解的粒子。通过全面了解中微子,许多当前的谜团可以得到解决。

5.基于空间的引力波探测器(https://lisa.nasa.gov/ )。以前间接证明引力波存在。然而,LIGO在2016年二月声称的直接观察到引力波,但其结果被一些人质疑。因为,一些未知的地球活动可以模仿引力波信号。另一方面,基于空间的引力波探测器将不会有这个问题。但同样,这要花很多钱。

 六、结论

如果美国参与这个赌注,我们打赌美国政府不会建设超大对撞机。

如果中国参与建造1000亿美元的超大对撞机,我们打赌这一定不值当!

当然,任何人也都可以参与这个赌注,如果不明白以上基本道理和不考虑以上数据,将是难以取胜的。如果纯粹赌运气,那将输得很惨。

如果我们组织运营公司,作为庄家,根据以上我们所列出的数据和逻辑推理,我们相信我们将胸有成竹,胜券在握。我们肯定能赢得此赌注的最后胜利,并获中大奖。

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