科學家希望造對撞機研究光撞上光會發生什么

還記得《哈利波特與火焰杯》里哈利和伏地魔的對決嗎？他們各自掏出魔杖，同步念出咒語，接著，魔杖射出的光對撞，曾死于伏地魔魔杖下的靈魂們一一閃現。

雖然這只是魔幻世界里的想象，但在現實世界里，科學家也很好奇當兩束光子對撞后會發生什么。

在近日舉行的香山科學會議第631次學術討論會上，科學家提出了在中國建造世界上第一臺伽馬光子對撞機的想法。

伽馬光子能撞出啥

光，雖然看起來普通，卻一直是物理界研究的重點。科學家從未打消過對光的好奇，一些在物理學界知名的理論還預言了光子的性質。

例如，量子電動力學預言了實光子之間的相互作用。如果能夠讓實光子對撞，并精確測量它們的相互作用，將是對量子電動力學的一次新角度的檢驗。

“低能、中級能段、高能的伽馬光子對撞可以帶來不同的新物理現象。”中科院高能物理所研究員張昊說。

低能區伽馬光子對撞后，科學家通過觀察和測量從能量到物質的轉化，可以直接驗證愛因斯坦著名的質能方程E=mc2。中能區的伽馬光子對撞很有可能成為“希格斯工廠”，幫助科學家發現希格斯粒子更多的物理性質。高能伽馬光子對撞將為人類直接尋找較大質量、超出標準模型的物理粒子提供可能。

如果能夠實現高能量的伽馬光子對撞，中科院上海應用物理研究所研究員馬余剛說，“在核物理方面，就能夠開展核結構、核天體物理、核光子學等研究；在強子物理中，就能夠開展核力、核形成引子、核子激發態等研究；此外，還可以開展伽馬射線成像、航天探測器定標、新一代反應堆設計等研究”。

當然，這些都建立在一個前提上，即讓伽馬光子撞上，且撞得越猛越好。

怎么讓它們撞上

伽馬粒子是光子家族里能量較高的一員，不帶電荷。這種不帶電的性質讓人類一直對它束手無策。

在粒子物理前沿研究的驅動下，人類建造了各種類型的對撞機，比方說，在不同能區的正負電子對撞機、質子—質子對撞機、質子—電子對撞機、強子對撞機等。

這些粒子之所以能對撞，是因為人類給它們加了速，而之所以能加速，是因為它們帶電。目前，加速器的加速原理是用磁場“拽”著帶電粒子跑，于是，不帶電荷的光子便逃過了磁場和人類的掌控。

上世紀80年代早期，科學家首次提出了建造伽馬光子對撞機的設想——將兩束激光射向兩束高速運動的電子，激光里的光子在觸碰到電子的瞬間會被“推撞”，在此過程中，電子把能量傳給光子，光子獲得能量后變身為伽馬光子，并擁有足夠的能量，最后再讓兩束伽馬光子對頭碰撞。

此次，在以“伽馬光子對撞機和前沿科學”為主題的香山科學會議上，科學家分享了中國伽馬光子對撞機的設計構思：在直線電子加速器的末端，引出兩條管道，兩束電子束分別經過兩套聚焦磁鐵，與兩束激光束相互作用，生成兩束伽馬光束，并在對撞區中心對撞點發生對撞。

“這個想法很好，是未來可能考慮的研發方向之一，但還需要深入研究。例如，應當對加速器物理過程進行模擬，考慮探測器的本底環境等。”中科院高能物理研究所研究員陳和生說。

別的國家干啥去了

既然伽馬光子對撞機的用處這么大，為什么國際至今都沒建呢？“很多國家都在嘗試建造高能的伽馬光子對撞機，但目前面臨著經費、電子加速器能量、激光能量的限制。”伽馬光子對撞機研究小組成員周為仁說。

就像武俠小說里傳授功力一樣，要讓伽馬光子擁有足夠的“功力”，電子必須是能量很高的“武林高手”才行。

中科院高能物理研究所研究員張闖告訴《中國科學報》記者，目前世界上直線電子加速器能達到的最高能量為500億電子伏特（50GeV）左右，國內能量最高的還只有25億電子伏特（2.5GeV）左右。而環形加速器雖然能讓電子能量更高，但隨著能量的提高，電子束旋轉產生的同步輻射損失的能量會大大增加。

電子的能量一旦提高，激光每秒鐘攜帶的能量也需要提高，還要很好地聚焦。“這個能量大小代表了激光束中所含光子的多少。如果電子和激光束中的粒子很疏松，那么，電子和光子很有可能要彼此錯過了。”張闖說。

2011年，未來加速器國際委員會和超強激光國際委員會合作了，這兩個組織一個專注于高能加速器的研制，一個專注于強激光的發展。在科學家們看來，兩個機構的“聯姻”為高能伽馬光子對撞機的研制帶來了新動能。

面對著激烈的國際競爭，國內科學家選擇的路線是先建一個低能伽馬光子對撞機，再逐步提升能量。

“我們想先建一個100萬電子伏特（1MeV）的伽馬光子對撞機，之后再將其升級到1億電子伏特（100 MeV），最終可能升級到能夠建造‘希格斯工廠’的1250億電子伏特（125GeV）。”周為仁說。