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LHC:不仅是一台对撞机

2010-08-09 13:32 作者:曹玲 2010年第27期
大型强子对撞机这两年着实惹人眼球,比如说它造价高昂浪费纳税人的钱,制造黑洞毁灭地球,耗电太多不环保……自从宣布即将开始对撞之日起,它就一直处于舆论的风口浪尖,还曾被人以毁灭地球罪告上法庭。应瑞士国家形象委员会“爱因斯坦之旅”的邀请,本刊记者专门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。

2007年2月28日,各国科学家齐聚LHC

大型强子对撞机这两年着实惹人眼球,比如说它造价高昂浪费纳税人的钱,制造黑洞毁灭地球,耗电太多不环保……自从宣布即将开始对撞之日起,它就一直处于舆论的风口浪尖,还曾被人以毁灭地球罪告上法庭。应瑞士国家形象委员会“爱因斯坦之旅”的邀请,本刊记者专门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。

由小知大

物理学家说,知小才能知大。为此,他们仔细研究构成世界的基本物质——粒子,希望以此窥视宇宙的秘密,比如宇宙是如何产生的,又如何演化?世界究竟由什么构成?

地球上最热衷于弄明白这种终极问题的理论物理学家中,有1/2都在“欧洲核子中心”(CERN)工作过,那里有着众多的粒子加速器,其中最出色的便是这两年名噪一时的大型强子对撞机(LHC)。

欧洲核子中心离日内瓦很近,大约只需半小时车程。来之前听说大型强子对撞机的环形隧道长达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,空旷的天底下放眼尽是大片大片的草地,路上偶有带有“CERN”标志的车辆穿过,办公楼和实验楼零星分布。从LHC磁铁测试实验室SM18到4个探测器之一ATLAS的途中,一不留神就穿越了瑞士和法国边境。

科学家们调侃说,这里为世界上一半的粒子物理学家提供了饭碗。据此处科技部主任鲍德利(FrédéRick Bordry)向本刊记者介绍,欧洲核子中心于1954年由12个成员国创立,是世界上最大的粒子物理研究中心,目前已经发展到20个成员国,除欧洲国家,还有美国、日本、印度等6个观察国。这里大约有2500名雇员,来自世界上85个国家580所大学的8000名学者在这里开展自己的研究。“据2009年2月的统计数据表明,中国到访研究人员69名,不过增长很快,到2010年5月为止已经快到100名了。”鲍德利说。。

名为“核子”中心,实际上这里研究的可不仅是核子。“当年成立的时候,纯物理研究的焦点集中在理解原子的内部结构,因此被称为核子中心。如今,人们对物质的理解已经远远不止原子核,欧洲核子中心的主要研究领域是基本粒子,物质的基本组成和相互作用力,因此这里的实验室常常被称为‘欧洲粒子物理实验室’。”鲍德利说。

不过,如果你想在这里看到粒子可就没指望了。科学家也没法看到它们,只能通过追踪它们的痕迹反推出现了什么。为此,他们修建了很多加速器和探测器,将粒子加速然后迎头相撞,在撞击点拍照,希望发现新粒子。物质是由原子组成的,原子是由原子核和电子构成的,原子核是由夸克构成的中子组成的……如此一级级小下去,通过撞击能发现坚不可摧的粒子的内部结构,所以有人把各种粒子对撞机形象地称为“原子粉碎机”。

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速器,这些粒子加速器形成了物理实验的前沿阵地。尽管如今人们还在不断建造和使用小型回旋加速器,但是粒子物理中最引人注目的还是那些从小型加速器发展而来的造价昂贵的大型加速器,LHC就是它们中的佼佼者。作为加速器的副产品,还诞生了许多相关的小设备——大约有1.5万台粒子加速器在全球各地的医院、电子工厂以及研究中心等地努力地工作着。

终极理论之梦

那么,为什么要建造这些大设备来寻找各种粒子呢?

“对撞机可以模拟宇宙大爆炸最初的景象。”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”,由最基本的粒子、夸克和轻子构成。随着膨胀和冷却,不同层次的结构依次出现:先是中子和质子,然后是原子核、原子、恒星、星系、星系团,最终形成超星系团。LHC让质子束迎头相撞,产生的能量接近大爆炸初期的能量,科学家希望从“撞碎”的粒子中找到或许存在于大爆炸初期的粒子,重现宇宙之初的景象。

LHC还有望解决另一个只有哲学家才会去想的问题:为什么万物皆有质量?这要从“标准模型”说起,科学家试图用一个模型来解释世界万物,于是创造出一个“标准模型”,它的主要内容形成于20世纪七八十年代,之后逐步走向完善。它是一台由方程组成的数学机器,描述了所有已知的物质结构,从原子到星系无一漏网。它还描述了自然中除了引力之外4种基本相互作用之中的3种:强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。“标准模型”出现后成功预测了一个又一个实验结果,取得了巨大成功,但是无论如何,科学家也无法将第4种力——引力纳入其中。

这个标准模型中有一个叫“希格斯机制”的思想。根据这个思想,整个空间被一个所谓的“希格斯场”所充满,粒子通过与这个场相互作用而获得质量。与希格斯场相互作用强的质量就大,反之质量就小。这个希格斯场至少联系一个新的粒子,人们叫它希格斯粒子。如果这样的粒子存在,LHC就可以探测到它。

“模型”二字表明这一理论尚未完工。1995年,美国费米国家实验室宣布发现了顶夸克,至此,描述粒子物理学的标准模型所预言的61个基本粒子,已有60个得到实验数据的支持和验证,而最后一个未被发现的粒子,就是希格斯粒子。美国著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“上帝粒子”(God particle),并且在《上帝粒子》一书中“咬牙切齿”地写道:“宇宙中有一个无所不在的幽灵一样的大坏蛋,正在阻止我们理解物质的真正本质,阻止我们获得终极的知识……希格斯场、标准模型和我们对上帝创造宇宙的描绘都依赖于希格斯粒子的发现。不幸的是,地球上没有一个加速器可以提供足够的能量以产生一个重达1 TeV(万亿电子伏特)的粒子。然而,你可以建造一个。”

还有一些人持反对意见,主要是因为他们觉得已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。但是持这种态度的物理学家并不多,大多数物理学家认为,希格斯粒子赋予了标准模型数学上的完美性,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,只要能建造能量更大的加速器,就一定可以找到这个“最后的粒子”。

兴建如此巨大的加速器,投入如此巨大的人力和财力,要承担的风险也很高,万一希格斯理论被证明是错误的,会怎么样呢?莱德曼说:“我们的标准模型必须进行修改,或者抛弃。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,如果没有达到目的,他也会发现一些别的东西,这些东西可能会更有意义。”

欧洲核子中心资深物理学家沃斯(Rüdiger Voss)也相信,LHC的发现并不一定会是预先设想的样子,即便没有发现希格斯粒子,也一定会有新的物理学出现。他告诉本刊记者:“在LHC所能达到的能量范围下应该存在新的物理学,也许就是希格斯粒子,或者是一种可以起到相同作用的新机制。”对此,他很乐观。

加速,碰撞

这台神奇的机器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’是因为它加速质子或重离子,这些都是参与强相互作用的粒子。‘对撞机’是由于它要把两束强子加速到很高的能量并且在其中对撞。”

粒子对撞机有很多,比如正负电子对撞机、质子—质子对撞机、质子—质子对撞机等,大型强子对撞机是其中的一种。“每发现一个新的粒子就需要增加模拟的能量,如果想要发现比较重的粒子就需要加大能量,LHC就是其中能量最大的一台对撞机。”沃斯说。

为什么要加速强子?强子又是什么东西?强子(hadron)来自希腊语“adros”,意思是“笨重的”,这是一类由夸克组成的粒子,比如组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”意思是“轻、细”的意思,物理学上指那些不是由夸克组成的粒子,比如电子和μ介子。

“一种加速器只能加速特定种类的粒子。首先它们需要带电,因为粒子束若想达到光速需要通过电磁元件操控,只有带电粒子才有这个可能。第二,除了特殊情况外,粒子不能衰退。如此一来,能够被加速的粒子就被限定在电子、质子、离子以及它们的反粒子中。在环形加速器中,重粒子的加速辐射损失比轻粒子少很多,比如质子是电子质量的2000倍,质子的损失就比电子少很多。所以,高能碰撞选择了重粒子,比如质子。”沃斯告诉本刊记者。

在仓库般高大的LHC磁铁测试实验室SM18内,整齐摆放着一排排的磁铁装置,正是这一节节的仪器在地下组装成一个周长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,在这种温度状态下,磁铁上的线圈达到超导状态,电阻基本降低到零。这样一方面节省电能,另一方面可以给环形加速器提供持续稳定的磁场。”磁场是用来引导带电粒子沿管道运动的,它能使带电粒子按管道的形状运动而不会碰到关闭,并且能使粒子在运动时聚集成一群。

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耗电的大部分用途是将超导磁铁系统保持在合适的温度。”能耗大约120兆瓦,整个欧洲核子中心的能耗是230兆瓦,相当于日内瓦全城的用电量。如果LHC按照每年工作270天来算,2009年的用电量大约是800兆度电,“主要从法国电力公司(EDF)购买电,因为法国核能发电比较便宜,冬天停止工作也是因为电费太贵,一整年运行LHC的费用是1900万欧元”。

鲍德利指着装置上的孔介绍,粒子束就是从这里被注入,每个束团非常纤细,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,欧洲核子中心有一系列加速器用来给粒子束增加能量。当质子束最终到达大型强子对撞机时,分别按逆时针和顺时针方向注入,接下来加速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,但是比房子重得多,内部有多个辐射探测层,用来监视是否有从碰撞点发出的粒子经过。

这种辐射同时发出多种粒子,运算力强大的计算机阵列会分析探测信号,重新绘制出通过探测器的粒子轨迹,并且计算出粒子的质量和所带电荷。正是在欧洲核子中心,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)在这里发现了名为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有20对能撞上,这就像在干草堆里找一根针。“实验面临的一个很大的挑战在于撞击结果中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理。”沃斯告诉本刊记者。据估计,LHC每年产生的数据要写满170万张双层DVD盘片。为了解决这个问题,科学家建立了一个更大的电脑网络:LHC计算机网格。这种网格网络由世界各地研究机构的数万台PC机组成,它们先连接到亚洲、欧洲和北美洲的12个大型网络集线中心,再通过专用光缆连接到欧洲核子中心。

这种超高速网络网速将比现有宽带网快1万倍,目前仅用于科研目的,但潜在商业应用前景不可估量,你可以想象下载一部高清电影只要5秒的时代即将到来。“欧洲核子中心是互联网的诞生地,当初发明互联网只是为了解决科学家内部数据传输问题。”沃斯对此深表自豪。当年,蒂姆·伯纳斯-李(Tim Berners-Lee)在这里工作时发明了互联网,他本人的电脑就是世界上第一台互联网的服务器,如今这台电脑仍旧陈列在欧洲核子中心总部的展览柜里,电脑上贴了一张纸,上面写着:“别关机,这是一台服务器!”

“人们总说LHC这样的大型物理实验的确与我们的日常生活没有什么关系,也不会在可以看到的将来为我们带来任何实际的好处。实际上,LHC不仅仅是一台对撞机,除了粒子之外,它还能撞击出很多新思想。建造LHC是为了解决物理学难题,但是这个过程中需要克服工程学问题,还要克服数据传输上的问题,这些都是物理学研究所带来的进步。事实上,再使劲地研究蜡烛,也不能给我们带来电灯;再使劲地研究电话,也不会出现互联网。基础科学的作用之一在于这个过程中会出现很多好的想法和新的方式,这些新想法会在日后得到普及,逐渐改变人们的生活。”沃斯说。

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