升级给 CERN 带来什么

发现六年后，希格斯玻色子验证了一个预测。很快，大型强子对撞机的升级将使欧洲核子研究中心的科学家能够生产更多这样的粒子来测试物理标准模型

希格斯玻色子 (H) 衰变为两个底夸克 (b) 的 ATLAS 候选事件，与衰变为 μ 子 (μ) 和中微子 (ν) 的 W 玻色子有关。 （图片：阿特拉斯/欧洲核子研究中心）

由 Rashmi Raniwala 和 Sudhir Raniwala 撰写

在欧洲核子研究中心大型强子对撞机 (LHC) 发现希格斯玻色子六年后，粒子物理学家上周宣布，他们已经观察到难以捉摸的粒子如何衰变。由 ATLAS 和 CMS 合作提出的这一发现观察到希格斯玻色子衰变成称为底夸克的基本粒子。

2012 年，诺贝尔奖获得者希格斯玻色子的发现验证了物理学的标准模型，该模型还预测，希格斯玻色子大约有 60% 的时间会衰变成一对底夸克。根据欧洲核子研究中心的说法，测试这一预测至关重要，因为结果要么支持标准模型——该模型建立在希格斯场赋予夸克和其他基本粒子质量的想法之上——要么动摇其基础并指向新物理学。

希格斯玻色子是通过研究不同能量的粒子碰撞来检测到的。但它们只持续 1 秒，即 0.000000000000000000001 秒，因此检测和研究它们的特性需要大量的能量和先进的探测器。 CERN 今年早些时候宣布，它正在进行大规模升级，将于 2026 年完成。

为什么要研究粒子？

粒子物理学在极端尺度上探索自然，以了解物质的基本成分。就像语法和词汇指导（和约束）我们的交流一样，粒子根据嵌入在所谓的“四种基本相互作用”中的某些规则相互交流。通过称为标准模型的统一方法成功地描述了粒子和其中三个相互作用。 SM 是一个框架，需要一种称为希格斯玻色子的粒子的存在，而大型强子对撞机的主要目标之一是寻找希格斯玻色子。

如此微小的粒子是如何研究的？

质子聚集成束，加速到接近光速并发生碰撞。许多粒子从这种碰撞中出现，称为事件。涌现的粒子表现出明显的随机模式，但遵循控制其部分行为的基本规律。研究这些粒子的发射模式有助于我们了解粒子的特性和结构。

最初，大型强子对撞机以前所未有的能量提供碰撞，使我们能够专注于研究新领域。但是，现在是通过记录更多事件来增加 LHC 发现潜力的时候了。

（来源：欧洲核子研究中心）

那么，升级意味着什么？

发现希格斯玻色子后，研究新发现的粒子的性质及其对所有其他粒子的影响势在必行。这需要大量的希格斯玻色子。 SM 有其缺点，并且有替代模型可以填补这些空白。这些和其他提供 SM 替代方案的模型的有效性可以通过试验来检验它们的预测。其中一些预测，包括暗物质、超对称粒子和其他深奥自然现象的信号非常罕见，因此难以观察，进一步需要高亮度 LHC (HL-LHC)。

想象一下，试图在大量外观相似的钻石中寻找一种稀有的钻石。寻找梦寐以求的钻石所需的时间将取决于单位时间内提供的检查件数，以及检查所需的时间。为了更快地完成这项任务，我们需要增加提供的件数并更快地检查。在这个过程中，可能会发现一些迄今为止未被观察到和未知的新钻石，改变我们对稀有钻石品种的看法。

升级后，碰撞率将增加，大多数罕见事件的概率也会增加。此外，辨别希格斯玻色子的特性需要它们的大量供应。升级后，一年生产的希格斯玻色子总数可能是目前生产数量的5倍左右；并且在相同的时长内，记录的总数据可能超过20次。

使用 HL-LHC 提出的光度（衡量单位时间内每单位面积穿过的质子数量），实验将能够在 LHC 运行的同一时期记录约 25 倍的数据。 LHC 中的光束有大约 2,800 个束，每个束包含大约 1,150 亿个质子。 HL-LHC 每束将有大约 1700 亿个质子，有助于将光度增加 1.5 倍。

它将如何升级？

质子通过使用四极磁铁形成的特殊类型的强磁场保持在一起。将束聚焦成更小的尺寸需要更强的场，因此需要更大的电流，因此需要使用超导电缆。将使用更新的技术和新材料（铌锡）来产生所需的强磁场，该磁场是现有磁场（8-12 特斯拉）的 1.5 倍。

正在测试为此类场创建长线圈。新设备将安装在靠近两个主要实验（ATLAS 和 CMS）的 27 公里 LHC 环的 1.2 公里以上，用于在它们交叉之前聚焦和挤压束。

百米长的超导材料电缆（超导链路）可承载高达 100,000 安培的电流，将用于将功率转换器连接到加速器。大型强子对撞机从加速器链中获取质子，加速器链也需要升级以满足高光度的要求。

由于每个束的长度为几厘米，为了增加碰撞次数，碰撞前束中会产生轻微的倾斜，以增加有效重叠面积。这是使用“蟹腔”来完成的。

印度的实验粒子物理界积极参与了实验ALICE和CMS。 HL-LHC 也需要对这些进行升级。新探测器的设计和制造以及随后的数据分析都将得到印度科学家的重大贡献。

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