当光撞上光会发生什么科学家希望造对撞机研究这一问题

■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。

《中国科学报》 (2018-09-05 第1版 要闻)