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LHC:不仅是一台对撞机
发表日期:2019-04-22 16:26| 来源 :本站原创 | 点击数:
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  LHC:不只是一台对撞机

  2010-08-09 13:32

  曹玲2010年第27期

  大型强子对撞机这两年实在惹人眼球,好比说它造价昂扬华侈纳税人的钱,制造黑洞扑灭地球,耗电太多不环保……自从颁布发表即将起头对撞之日起,它就不断处于言论的风口浪尖,还曾被人以扑灭地球罪告上法庭。应瑞士国度抽象委员会“爱因斯坦之旅”的邀请,本刊记者特地来到这个粒子物理学圣地,“朝拜”深埋地下100米的地球大工程。

  大型强子对撞机这两年实在惹人眼球,好比说它造价昂扬华侈纳税人的钱,制造黑洞扑灭地球,耗电太多不环保……自从颁布发表即将起头对撞之日起,它就不断处于言论的风口浪尖,还曾被人以扑灭地球罪告上法庭。应瑞士国度抽象委员会“爱因斯坦之旅”的邀请,本刊记者特地来到这个粒子物理学圣地,“朝拜”深埋地下100米的地球大工程。

  物理学家说,知小才能知大。为此,他们细心研究形成世界的根基物质——粒子,但愿以此窥视宇宙的奥秘,好比宇宙是若何发生的,又若何演化?世界事实由什么形成?

  地球上最热衷于弄大白这种终极问题的理论物理学家中,有1/2都在“欧洲核子核心”(CERN)工作过,那里有着浩繁的粒子加快器,此中最超卓的即是这两年名噪一时的大型强子对撞机(LHC)。

  欧洲核子核心离日内瓦很近,大约只需半小时车程。来之前传闻大型强子对撞机的环形地道长达27公里,东起瑞士日内瓦湖,西至法国侏罗山。果不其然,这里给人的第一印象就是地广人稀,像是到了大农村,空阔的天底下放眼尽是大片大片的草地,路上偶有带有“CERN”标记的车辆穿过,办公楼和尝试楼零散分布。从LHC磁铁测试尝试室SM18到4个探测器之一ATLAS的途中,一不留心就穿越了瑞士和法国边境。

  科学家们讥讽说,这里为世界上一半的粒子物理学家供给了饭碗。据此处科技部主任鲍德利(FrédéRick Bordry)向本刊记者引见,欧洲核子核心于1954年由12个成员国创立,是世界上最大的粒子物理研究核心,目前曾经成长到20个成员国,除欧洲国度,还有美国、日本、印度等6个察看国。这里大约有2500名雇员,来自世界上85个国度580所大学的8000论理学者在这里开展本人的研究。“据2009年2月的统计数据表白,中国到访研究人员69名,不外增加很快,到2010年5月为止曾经快到100名了。”鲍德利说。。

  名为“核子”核心,现实上这里研究的可不只是核子。“昔时成立的时候,纯物理研究的核心集中在理解原子的内部布局,因而被称为核子核心。现在,人们对物质的理解曾经远远不止原子核,欧洲核子核心的次要研究范畴是根基粒子,物质的根基构成和彼此感化力,因而这里的尝试室常常被称为‘欧洲粒子物理尝试室’。”鲍德利说。

  不外,若是你想在这里看到粒子可就没希望了。科学家也没法看到它们,只能通过追踪它们的踪迹反推呈现了什么。为此,他们建筑了良多加快器和探测器,将粒子加快然后迎头相撞,在撞击点摄影,但愿发觉新粒子。物质是由原子构成的,原子是由原子核和电子形成的,原子核是由夸克形成的中子构成的……如斯一级级小下去,通过撞击能发觉坚不成摧的粒子的内部布局,所以有人把各类粒子对撞机抽象地称为“原子破坏机”。

  除了日内瓦,芝加哥、斯坦福、汉堡、东京也分布着世界上最大的几座粒子加快器,这些粒子加快器构成了物理尝试的前沿阵地。虽然现在人们还在不竭建筑和利用小型盘旋加快器,可是粒子物理中最惹人瞩目的仍是那些从小型加快器成长而来的造价高贵的大型加快器,LHC就是它们中的佼佼者。作为加快器的副产物,还降生了很多相关的小设备——大约有1.5万台粒子加快器在全球各地的病院、电子工场以及研究核心等地勤奋地工作着。

  终极理论之梦

  那么,为什么要建筑这些大设备来寻找各类粒子呢?

  “对撞机能够模仿宇宙大爆炸最后的气象。”鲍德利告诉本刊记者。目前的理论认为,宇宙始于137亿年前发生的大爆炸。在随后不到1秒的时间里,宇宙是一锅无定形的“热汤”,由最根基的粒子、夸克和轻子形成。跟着膨胀和冷却,分歧条理的布局顺次呈现:先是中子和质子,然后是原子核、原子、恒星、星系、星系团,最终构成超星系团。LHC让质子束迎头相撞,发生的能量接近大爆炸初期的能量,科学家但愿从“撞碎”的粒子中找到大概具有于大爆炸初期的粒子,重现宇宙之初的气象。

  LHC还无望处理另一个只要哲学家才会去想的问题:为什么万物皆有质量?这要从“尺度模子”说起,科学家试图用一个模子来注释世界万物,于是缔造出一个“尺度模子”,它的次要内容构成于20世纪七八十年代,之后逐渐走向完美。它是一台由方程构成的数学机械,描述了所有已知的物质布局,从原子到星系无一漏网。它还描述了天然中除了引力之外4种根基彼此感化之中的3种:强彼此感化、弱彼此感化和电磁彼此感化。“尺度模子”呈现后成功预测了一个又一个尝试成果,取得了庞大成功,可是无论若何,科学家也无法将第4种力——引力纳入此中。

  这个尺度模子中有一个叫“希格斯机制”的思惟。按照这个思惟,整个空间被一个所谓的“希格斯场”所充满,粒子通过与这个场彼此感化而获得质量。与希格斯场彼此感化强的质量就大,反之质量就小。这个希格斯场至多联系一个新的粒子,人们叫它希格斯粒子。若是如许的粒子具有,LHC就能够探测到它。

  “模子”二字表白这一理论尚未落成。1995年,美国费米国度尝试室颁布发表发觉了顶夸克,至此,描述粒子物理学的尺度模子所预言的61个根基粒子,已有60个获得尝试数据的支撑和验证,而最初一个未被发觉的粒子,就是希格斯粒子。美国出名粒子物理学家利昂·莱德曼(Leon M.Lederman)把这个最难找到的粒子戏称为“天主粒子”(God particle),而且在《天主粒子》一书中“咬牙切齿”地写道:“宇宙中有一个无所不在的鬼魂一样的大坏蛋,正在阻遏我们理解物质的真副本质,阻遏我们获得终极的学问……希格斯场、尺度模子和我们对天主缔造宇宙的描画都依赖于希格斯粒子的发觉。倒霉的是,地球上没有一个加快器能够供给足够的能量以发生一个重达1 TeV(万亿电子伏特)的粒子。然而,你能够建筑一个。”

  还有一些人持否决看法,次要是由于他们感觉曾经花了几十年时间来寻找希格斯粒子,却连影子也没见到,煞是可疑。可是持这种立场的物理学家并不多,大大都物理学家认为,希格斯粒子付与了尺度模子数学上的完满性,所以找到它只是时间问题。1979年诺贝尔物理学奖得主斯蒂芬·温伯格(Steven Weinberg)在《终极理论之梦》一书中说:“没有人见过希格斯粒子,但这并不和理论相矛盾。”他认为,只需能建筑能量更大的加快器,就必然能够找到这个“最初的粒子”。

  兴建如斯庞大的加快器,投入如斯庞大的人力和财力,要承担的风险也很高,万一希格斯理论被证明是错误的,会怎样样呢?莱德曼说:“我们的尺度模子必需进行点窜,或者丢弃。这就像哥伦布启程寻找印度群岛一样——他和他的信徒们相信,若是没有达到目标,他也会发觉一些此外工具,这些工具可能会更成心义。”

  欧洲核子核心资深物理学家沃斯(Rüdiger Voss)也相信,LHC的发觉并不必然会是事后设想的样子,即便没有发觉希格斯粒子,也必然会有新的物理学呈现。他告诉本刊记者:“在LHC所能达到的能量范畴下该当具有新的物理学,也许就是希格斯粒子,或者是一种能够起到不异感化的新机制。”对此,他很乐观。

  这台奇异的机械就连名字也不甚好懂:大型,强子,对撞机。沃斯告诉本刊记者:“‘大型’指的是尺寸,它的周长达27公里。‘强子’是由于它加快质子或重离子,这些都是参与强彼此感化的粒子。‘对撞机’是因为它要把两束强子加快到很高的能量而且在此中对撞。”

  粒子对撞机有良多,好比正负电子对撞机、质子—质子对撞机、质子—质子对撞机等,大型强子对撞机是此中的一种。“每发觉一个新的粒子就需要添加模仿的能量,若是想要发觉比力重的粒子就需要加大能量,LHC就是此中能量最大的一台对撞机。”沃斯说。

  为什么要加快强子?强子又是什么工具?强子(hadron)来自希腊语“adros”,意义是“笨重的”,这是一类由夸克构成的粒子,好比构成原子核的质子和中子都属于强子。除此之外,还有一种粒子叫做“轻子”(lepton),在希腊语中“leptos”意义是“轻、细”的意义,物理学上指那些不是由夸克构成的粒子,好比电子和μ介子。

  “一种加快器只能加快特定品种的粒子。起首它们需要带电,由于粒子束若想达到光速需要通过电磁元件操控,只要带电粒子才有这个可能。第二,除了特殊环境外,粒子不克不及阑珊。如斯一来,可以或许被加快的粒子就被限制在电子、质子、离子以及它们的反粒子中。在环形加快器中,重粒子的加快辐射丧失比轻粒子少良多,好比质子是电子质量的2000倍,质子的丧失就比电子少良多。所以,高能碰撞选择了重粒子,好比质子。”沃斯告诉本刊记者。

  在仓库般高峻的LHC磁铁测试尝试室SM18内,划一摆放着一排排的磁铁安装,恰是这一节节的仪器在地下拆卸成一个周长27公里的环形通道。鲍德利告诉本刊记者:“这些磁铁将用液态氮气冷却到零下271摄氏度,接近绝对零度,在这种温度形态下,磁铁上的线圈达到超导形态,电阻根基降低到零。如许一方面节流电能,另一方面能够给环形加快器供给持续不变的磁场。”磁场是用来指导带电粒子沿管道活动的,它能使带电粒子按管道的外形活动而不会碰着封闭,而且能使粒子在活动时堆积成一群。

  将LHC降低成世界上最大、最冷的冰箱,意味着LHC是耗能大户。沃斯说:“LHC耗电的大部门用处是将超导磁铁系统连结在合适的温度。”能耗大约120兆瓦,整个欧洲核子核心的能耗是230兆瓦,相当于日内瓦全城的用电量。若是LHC按照每年工作270天来算,2009年的用电量大约是800兆度电,“次要从法国电力公司(EDF)采办电,由于法国核能发电比力廉价,冬天遏制工作也是由于电费太贵,一全年运转LHC的费用是1900万欧元”。

  鲍德利指着安装上的孔引见,粒子束就是从这里被注入,每个束团很是纤细,仅16微米,长度数厘米,像一根短小的蚕丝。粒子束的注入是一个复杂的过程,欧洲核子核心有一系列加快器用来给粒子束添加能量。当质子束最终达到大型强子对撞机时,别离按逆时针和顺时针标的目的注入,接下来加快20分钟,能量达到7万亿电子伏特……“然后,‘砰砰’它们就开撞了。”沃斯用拳头对撞,发出虚拟的声音。

  撞击得粉身碎骨的粒子会向安放在粒子束交汇区域四周的大型探测器发出辐射,这些探测器中的每一台都有一幢房子那么大,可是比房子重得多,内部有多个辐射探测层,用来监督能否有从碰撞点发出的粒子颠末。

  这种辐射同时发出多种粒子,运算力强大的计较机阵列会阐发探测信号,从头绘制出通过探测器的粒子轨迹,而且计较出粒子的质量和所带电荷。恰是在欧洲核子核心,1983年意大利物理学家卡罗·卢比亚(Carlo Rubbia)和荷兰人西蒙·范德·米尔(Simon van der Meer)在这里发觉了名为W和Z的两种粒子,于是他们获得了1984年的诺贝尔物理学奖。

  质子迎头相撞的比例很小,当粒子束穿过时,一共2000亿个粒子中大约只要20对能撞上,这就像在干草堆里找一根针。“尝试面对的一个很大的挑战在于撞击成果中99.99999%都是无意义的,需要从中过滤出最有价值的事例,这就涉及海量的数据处置。”沃斯告诉本刊记者。据估量,LHC每年发生的数据要写满170万张双层DVD盘片。为领会决这个问题,科学家成立了一个更大的电脑收集:LHC计较机网格。这种网格收集由世界各地研究机构的数万台PC机构成,它们先毗连到亚洲、欧洲和北美洲的12个大型收集集线核心,再通过公用光缆毗连到欧洲核子核心。

  这种超高速收集网速将比现有宽带网快1万倍,目前仅用于科研目标,但潜在贸易使用前景不成估量,你能够想象下载一部高清片子只需5秒的时代即将到来。“欧洲核子核心是互联网的降生地,当初发现互联网只是为领会决科学家内部数据传输问题。”沃斯对此深表骄傲。昔时,蒂姆·伯纳斯-李(Tim Berners-Lee)在这里工作时发了然互联网,他本人的电脑就是世界上第一台互联网的办事器,现在这台电脑仿照照旧陈列在欧洲核子核心总部的展览柜里,电脑上贴了一张纸,上面写着:“别关机,这是一台办事器!”

  “人们总说LHC如许的大型物理尝试简直与我们的日常糊口没有什么关系,也不会在能够看到的未来为我们带来任何现实的益处。现实上,LHC不只仅是一台对撞机,除了粒子之外,它还能撞击出良多新思惟。建筑LHC是为领会决物理学难题,可是这个过程中需要降服工程学问题,还要降服数据传输上的问题,这些都是物理学研究所带来的前进。现实上,再用力地研究蜡烛,也不克不及给我们带来电灯;再用力地研究德律风,也不会呈现互联网。根本科学的感化之一在于这个过程中会呈现良多好的设法和新的体例,这些新设法会在日后获得普及,逐步改变人们的糊口。”沃斯说。■

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