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[科技]当光撞上光会发生什么
来源:中国科学报 作者: 发布时间:2018/9/13 点击次数:94  字体【

  ■本报记者 倪思洁
  还记得《哈利波特与火焰杯》里哈利和伏地魔的对决吗?他们各自掏出魔杖,同步念出咒语,接着,魔杖射出的光对撞,曾死于伏地魔魔杖下的灵魂们一一闪现。
  虽然这只是魔幻世界里的想象,但在现实世界里,科学家也很好奇当两束光子对撞后会发生什么。
  在近日举行的香山科学会议第631次学术讨论会上,科学家提出了在中国建造世界上第一台伽马光子对撞机的想法。
  伽马光子能撞出啥
  光,虽然看起来普通,却一直是物理界研究的重点。科学家从未打消过对光的好奇,一些在物理学界知名的理论还预言了光子的性质。
  例如,量子电动力学预言了实光子之间的相互作用。如果能够让实光子对撞,并精确测量它们的相互作用,将是对量子电动力学的一次新角度的检验。
  “低能、中级能段、高能的伽马光子对撞可以带来不同的新物理现象。”中科院高能物理所研究员张昊说。
  低能区伽马光子对撞后,科学家通过观察和测量从能量到物质的转化,可以直接验证爱因斯坦著名的质能方程E=mc2。中能区的伽马光子对撞很有可能成为“希格斯工厂”,帮助科学家发现希格斯粒子更多的物理性质。高能伽马光子对撞将为人类直接寻找较大质量、超出标准模型的物理粒子提供可能。
  如果能够实现高能量的伽马光子对撞,中科院上海应用物理研究所研究员马余刚说,“在核物理方面,就能够开展核结构、核天体物理、核光子学等研究;在强子物理中,就能够开展核力、核形成引子、核子激发态等研究;此外,还可以开展伽马射线成像、航天探测器定标、新一代反应堆设计等研究”。
  当然,这些都建立在一个前提上,即让伽马光子撞上,且撞得越猛越好。
  怎么让它们撞上
  伽马粒子是光子家族里能量较高的一员,不带电荷。这种不带电的性质让人类一直对它束手无策。
  在粒子物理前沿研究的驱动下,人类建造了各种类型的对撞机,比方说,在不同能区的正负电子对撞机、质子—质子对撞机、质子—电子对撞机、强子对撞机等。
  这些粒子之所以能对撞,是因为人类给它们加了速,而之所以能加速,是因为它们带电。目前,加速器的加速原理是用磁场“拽”着带电粒子跑,于是,不带电荷的光子便逃过了磁场和人类的掌控。
  上世纪80年代早期,科学家首次提出了建造伽马光子对撞机的设想——将两束激光射向两束高速运动的电子,激光里的光子在触碰到电子的瞬间会被“推撞”,在此过程中,电子把能量传给光子,光子获得能量后变身为伽马光子,并拥有足够的能量,最后再让两束伽马光子对头碰撞。
  此次,在以“伽马光子对撞机和前沿科学”为主题的香山科学会议上,科学家分享了中国伽马光子对撞机的设计构思:在直线电子加速器的末端,引出两条管道,两束电子束分别经过两套聚焦磁铁,与两束激光束相互作用,生成两束伽马光束,并在对撞区中心对撞点发生对撞。
  “这个想法很好,是未来可能考虑的研发方向之一,但还需要深入研究。例如,应当对加速器物理过程进行模拟,考虑探测器的本底环境等。”中科院高能物理研究所研究员陈和生说。
  别的国家干啥去了
  既然伽马光子对撞机的用处这么大,为什么国际至今都没建呢?“很多国家都在尝试建造高能的伽马光子对撞机,但目前面临着经费、电子加速器能量、激光能量的限制。”伽马光子对撞机研究小组成员周为仁说。
  就像武侠小说里传授功力一样,要让伽马光子拥有足够的“功力”,电子必须是能量很高的“武林高手”才行。
  中科院高能物理研究所研究员张闯告诉《中国科学报》记者,目前世界上直线电子加速器能达到的最高能量为500亿电子伏特(50GeV)左右,国内能量最高的还只有25亿电子伏特(2.5GeV)左右。而环形加速器虽然能让电子能量更高,但随着能量的提高,电子束旋转产生的同步辐射损失的能量会大大增加。
  电子的能量一旦提高,激光每秒钟携带的能量也需要提高,还要很好地聚焦。“这个能量大小代表了激光束中所含光子的多少。如果电子和激光束中的粒子很疏松,那么,电子和光子很有可能要彼此错过了。”张闯说。
  2011年,未来加速器国际委员会和超强激光国际委员会合作了,这两个组织一个专注于高能加速器的研制,一个专注于强激光的发展。在科学家们看来,两个机构的“联姻”为高能伽马光子对撞机的研制带来了新动能。
  面对着激烈的国际竞争,国内科学家选择的路线是先建一个低能伽马光子对撞机,再逐步提升能量。
  “我们想先建一个100万电子伏特(1MeV)的伽马光子对撞机,之后再将其升级到1亿电子伏特(100 MeV),最终可能升级到能够建造‘希格斯工厂’的1250亿电子伏特(125GeV)。”周为仁说。
  要让伽马光子达到100万电子伏特(1MeV),直线电子加速器只需要把电子加速到2.45亿电子伏特(245MeV)左右,而这个能量段是国内加速器可以实现的。
  研究小组预计,如果不包括实验站建设,伽马光子能量达到1MeV的对撞机造价约为人民币1亿元,占地约500平方米,建设周期3至5年。
 

 

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