欧洲核子研究中心的卢西奥·罗西和米开朗基罗·曼加诺解释了为什么升级到高亮度的大型强子对撞机是必要的，其中涉及的一些挑战，以及他们希望它能实现什么新的物理。

 

2010年，当高亮度大型强子对撞机(HL-LHC或Hilumi)设计研究启动时，我们还没有发现希格斯玻色子。当然，我们确信我们很快就会发现它，因此，也许我们可以问一些问题:

 

为什么要对一台刚刚开始有成效的机器提出改进建议呢?天富登录网址

 

为什么要改进LHC的亮度而不是增加能量呢?和

 

为什么不稍后升级大型强子对撞机，当我们可以知道更多关于希格斯玻色子的信息，然后再围绕我们已经发现的进行改进?

 

这些问题有两个方面(科学和技术)。从科学的角度来看，从20世纪90年代末进行的早期研究就已经知道，无论LHC会发现什么，延长其运行的名义阶段将大大增加我们的知识。任何大型强子对撞机的发现，包括希格斯粒子，都将成为物理学的重大革命。大型强子对撞机的设计和尺寸就是为了实现这些发现。但是，HL-LHC需要进行调整，以实现对这些新发现现象的性质的彻底探索。

 

从科技的角度看

 

要欣赏技术视角，从历史观察开始是有用的。加速器的发展需要创新技术的深入研究。从第一个加速器的概念到它的建造至少需要25年。LHC的第一个概念设计是在1983年完成的，直到2008年才完成。

 

LHC的研究和发展始于LEP(目前安装在LHC隧道中的第一台机器)尚未完成之时!然而，新兴技术通常可以用来扩展现有机器的发现能力。这就是LEP的情况，对超导射频腔的研究(开始于70年代末)被用来提高LEP并在LEP2中转化它，从而使其能量加倍。

 

当LHC开始运行的时候,曾有一些研究在线性的机器上,可以详细研究希格斯玻色子,但它也表明,几乎以相同的方式,因为它发生地蜡,新兴技术,可以用于未来的圆形对撞机可以用来提高大型强子对撞机。增加能量需要更高的磁场和更大的投资，而增加亮度则更现实，因为LHC只有1.2公里，需要重新设计和升级。增加亮度的提议也仅仅意味着需要研究几个技术难题，如果我们想要建造一个更强大的加速器，无论如何都必须克服这些难题。

 

这是高亮度大型强子对撞机研究的起点，由欧洲核子研究中心与15个欧洲机构联合发起，并得到欧洲委员会FP7框架计划的支持。2013年，欧洲粒子物理战略(European Strategy for Particle Physics)决定将探索提高LHC亮度所需的技术作为未来十年的首要任务，这一决定得到了极大推动。天富登录网址

 

回到LHC被升级为高亮度大型强子对撞机的原因:LHC每秒可以产生高达10亿次质子对撞。在2019-2020年和2024-2026年期间，预计接下来的两个技术站点将会发生变化，这将使获得的数据比目前运行阶段多10倍。这些数据将提高测量的精度，提高对罕见现象的灵敏度，并扩大发现新的重粒子的范围。

 

这种额外的精度将主要有利于我们对希格斯玻色子的理解:希格斯玻色子的行为是符合粒子物理学标准模型(SM)预测的，还是偏离了它的存在?今天的数据只允许对希格斯粒子的一些特性进行测试，精度限制在10-20%。例如，希格斯粒子是否为所有已知粒子提供质量的问题仍然悬而未决，因为希格斯粒子与最轻粒子相互作用的敏感过程极其罕见，而且超出了LHC的统计范围。HL-LHC数据样本将把最显著属性的精确度提高到百分之一，并将揭示一些最罕见的希格斯粒子相互作用。