建(jian)造過程(cheng)和探索微觀(guan)粒子的目的
大型強(qiang)子(zi)對(dui)撞(zhuang)器,英(ying)文名稱為LHC(Large Hadron Collider)是一座(zuo)位于瑞士日內瓦(wa)近郊歐洲核(he)子(zi)研究(jiu)組(zu)織(zhi)CERN的(de)粒子(zi)加速器與(yu)對(dui)撞(zhuang)機,作(zuo)為國際高能物理學(xue)研究(jiu)之用(yong)。地理坐標為北緯46°14′00″,東經6°03′00″46.23;6.05, LHC已經建造完成。
大(da)型強子對撞機(ji)將是世界上最大(da)、能量(liang)最高(gao)的粒(li)子加速器,來(lai)自大(da)約80個國家(jia)的7000名科學家(jia)和工程(cheng)師(shi)。由40個國家(jia)建(jian)造。是一(yi)種將質子加速對撞的高(gao)能物理(li)設備。它(ta)(ta)是一(yi)個圓形加速器,深埋于(yu)地(di)下100米,它(ta)(ta)的環狀隧道有 27 公(gong)里長(chang),坐落(luo)于(yu)在瑞(rui)士日(ri)內瓦的歐洲核子研究中心(xin)(又名歐洲粒(li)子物理(li)實驗室),橫(heng)跨法國和瑞(rui)士的邊境。
為了節省(sheng)成(cheng)本(ben),物(wu)理學家(jia)們(men)沒有開鑿(zao)一條(tiao)昂(ang)貴的(de)(de)(de)新隧(sui)道來容納新的(de)(de)(de)對撞機,而是決定(ding)拆(chai)掉(diao)原來安置在(zai)(zai)歐(ou)洲原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核研(yan)究中心(xin)的(de)(de)(de)正負電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)加速器,代之以建造(zao)大(da)型(xing)強(qiang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)對撞機所需(xu)要(yao)的(de)(de)(de)5萬(wan)噸設備。當兩個(ge)質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)束在(zai)(zai)環(huan)形隧(sui)道中沿著反方向運動的(de)(de)(de)時候,強(qiang)大(da)的(de)(de)(de)電(dian)場使(shi)它(ta)們(men)的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)急劇增加。這(zhe)(zhe)些粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)每運行(xing)一圈,就會(hui)獲得更多的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)。要(yao)保持如此高能(neng)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)束繼續運行(xing)需(xu)要(yao)非常強(qiang)大(da)的(de)(de)(de)磁場。這(zhe)(zhe)么強(qiang)的(de)(de)(de)磁場是由(you)冷卻到接近絕對零度的(de)(de)(de)超導(dao)電(dian)磁體(ti)產生的(de)(de)(de)。物(wu)理學家(jia)們(men)最希(xi)望(wang)建造(zao)的(de)(de)(de)是一個(ge)30公里長的(de)(de)(de)機器,它(ta)能(neng)以至少5千億電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)伏的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)將電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)正電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)一起粉碎。 目前;對撞機已經發(fa)現(xian)(xian)了‘希(xi)格斯(si)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)希(xi)格斯(si)玻色子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)存(cun)在(zai)(zai),升級(ji)后發(fa)現(xian)(xian)‘夸(kua)克(ke)奇(qi)異(yi)重(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)’五種夸(kua)克(ke)的(de)(de)(de)‘味變’集合(he)體(ti)存(cun)在(zai)(zai),改(gai)造(zao)升級(ji)能(neng)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)加大(da)還會(hui)‘探(tan)索(suo)發(fa)現(xian)(xian)’超對稱粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)希(xi)格斯(si)耦合(he)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)與粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)額(e)外維相存(cun)在(zai)(zai)。
LHC是(shi)一個國(guo)(guo)際合(he)作(zuo)的計劃,由34個國(guo)(guo)家超過兩(liang)千位(wei)物理學家所屬的大學與實驗室所共(gong)同出(chu)資(zi)合(he)作(zuo)興建(jian)的。
LHC包含了一個圓周為27公(gong)里的(de)(de)圓形(xing)隧道(dao),因(yin)當地(di)地(di)形(xing)的(de)(de)緣故位(wei)(wei)于(yu)(yu)(yu)地(di)下50至150米之間。這是先前大型電子正子加速器(LEP)所使用隧道(dao)的(de)(de)再利用,隧道(dao)本(ben)身(shen)直(zhi)徑(jing)三米,位(wei)(wei)于(yu)(yu)(yu)同一平面上,并貫穿瑞士(shi)與法國邊(bian)境,主要的(de)(de)部分(fen)大半(ban)位(wei)(wei)于(yu)(yu)(yu)法國。雖然隧道(dao)本(ben)身(shen)位(wei)(wei)于(yu)(yu)(yu)地(di)底下,尚有(you)許多地(di)面設施如冷(leng)卻(que)壓縮機,通風(feng)設備,控制(zhi)電機設備,還有(you)冷(leng)凍槽等(deng)等(deng)建(jian)構于(yu)(yu)(yu)其上。
加(jia)速(su)器通道中(zhong),主要是放置兩個質子束管。加(jia)速(su)管由超導(dao)磁鐵(tie)所(suo)包覆,以液(ye)態氦(hai)來冷卻(que)。管中(zhong)的質子是以相反的方向,環(huan)繞著整個環(huan)型加(jia)速(su)器運行。除此之外(wai),在四個實驗碰撞點(dian)附近,另有安裝其(qi)他(ta)的偏向磁鐵(tie)及(ji)聚焦(jiao)磁鐵(tie)。
LHC加(jia)速(su)環(huan)的(de)四個碰撞(zhuang)點,分別設有五個偵(zhen)(zhen)測(ce)(ce)器(qi)在碰撞(zhuang)點的(de)地穴中(zhong)(zhong)。其(qi)中(zhong)(zhong)超(chao)環(huan)面(mian)儀器(qi) (ATLAS)與(yu)緊湊渺子(zi)(zi)線圈(CMS)是(shi)通用(yong)型(xing)的(de)粒子(zi)(zi)偵(zhen)(zhen)測(ce)(ce)器(qi)。其(qi)他三個(LHC底夸克偵(zhen)(zhen)測(ce)(ce)器(qi)(LHCb),大型(xing)離子(zi)(zi)對(dui)撞(zhuang)器(qi)(ALICE)以及全截面(mian)彈性散射偵(zhen)(zhen)測(ce)(ce)器(qi)(TOTEM)則是(shi)較小型(xing)的(de)特殊(shu)目標偵(zhen)(zhen)測(ce)(ce)器(qi)。
1994年,大型強子(zi)對(dui)撞(zhuang)機項(xiang)目立項(xiang)后,林恩(en)·埃(ai)(ai)文斯(si)理所當然(ran)地就成為了這個(ge)耗資百(bai)億美元的項(xiang)目的負責(ze)人。對(dui)撞(zhuang)機從設計到(dao)建造,都由他全權負責(ze)。14年后,在瑞士和法國交(jiao)界(jie)地區地下100米深處的周長為27公里的環形(xing)隧道里,埃(ai)(ai)文斯(si)和全球80多個(ge)國家近萬名科學家的心(xin)血結晶(jing)——大型強子(zi)對(dui)撞(zhuang)機正(zheng)式(shi)建成。
在(zai)2005年10月(yue)25日,因為起重機載貨(huo)的意外掉落(luo),造成一位(wei)技術(shu)人員(yuan)的喪生。
2007年3月27日,由費米(mi)實驗室所負(fu)責建造,一個用于 LHC 內部的(de)三極低(di)溫超導磁(ci)(ci)鐵(屬(shu)于聚焦用四(si)極磁(ci)(ci)鐵),因為支撐架的(de)設計(ji)不良,在壓力測試(shi)時發生破損。雖(sui)然沒有造成人員的(de)傷(shang)亡,但是卻嚴重(zhong)影響了 LHC 開始運作的(de)時程。
2008年6月15日,在埃文(wen)斯(si)的退休儀式上,這(zhe)6位主任紛紛親自出面或通過視頻向他致以(yi)敬意(yi)。他們還聯合簽署了一(yi)份文(wen)件,將大型強子(zi)對(dui)(dui)撞機以(yi)林恩(en)·埃文(wen)斯(si)的名字(zi)命名,并制作了一(yi)個對(dui)(dui)撞機偶極子(zi)的小(xiao)模型贈送給埃文(wen)斯(si)。
2008年9月10日,對(dui)撞機初次啟動進(jin)行(xing)測試。埃文斯將手指放在(zai)鼠標上,親自點擊(ji)啟動了首次測試。這次測試是(shi)研究人員(yuan)將一個質子束以順時(shi)針方向注入到(dao)加(jia)速(su)器中(zhong),讓(rang)其加(jia)速(su)到(dao)99.9998%光(guang)速(su)的超(chao)快速(su)度,從而使此質子束在(zai)全長27公里的環形(xing)隧道中(zhong)以每秒11245圈的速(su)度狂飆(biao)。這一幕通過網絡(luo)視頻向世界進(jin)行(xing)了直播(bo),還有300多名記(ji)者來到(dao)此實驗室目(mu)睹(du)測試過程(cheng)。
2008年9月19日,LHC,第(di)三(san)與第(di)四段之間,用來冷卻超導(dao)磁(ci)鐵的(de)(de)(de)液態(tai)氦,發生了嚴重的(de)(de)(de)泄漏(lou)。據推測是(shi)由于聯接(jie)兩個超導(dao)磁(ci)鐵的(de)(de)(de)接(jie)點接(jie)觸(chu)不良,在超導(dao)高電流的(de)(de)(de)情況(kuang)下(xia)融(rong)毀所造(zao)成的(de)(de)(de)。依據CERN的(de)(de)(de)安全條例(li),必需將磁(ci)鐵升(sheng)回(hui)(hui)到室溫后(hou)詳(xiang)細檢查才能繼續運(yun)轉,這將需要三(san)到四周(zhou)的(de)(de)(de)時間。要再冷卻回(hui)(hui)運(yun)作溫度(du),也是(shi)得經過(guo)三(san)四周(zhou)的(de)(de)(de)時間,如(ru)此正好遇上預定的(de)(de)(de)年度(du)檢修時程(cheng),因此要開始運(yun)作將可能延(yan)遲至2009年春天。
2008年(nian)10月(yue)16日,CERN發布了(le)(le)關于(yu)(yu)液(ye)態氦(hai)泄漏事件(jian)的(de)調查分(fen)析,證實(shi)了(le)(le)先前推測(ce)的(de)為(wei)兩超導磁鐵(tie)間接點(dian)不(bu)良所造成的(de)。由于(yu)(yu)安全(quan)條例確實(shi)地實(shi)行、安全(quan)設計皆有正(zheng)常(chang)工(gong)作、并且(qie)替(ti)換用的(de)零件(jian)都有庫(ku)存,預期2009年(nian)6月(yue)重啟(qi)。
2008年9月10日下午15:30正式開始運作,成為世界上最大的粒子加(jia)速(su)器設施。
2008年(nian)9月19日,LHC第三與第四(si)段之間(jian),用來冷卻超導磁鐵(tie)的液(ye)態(tai)氦,發生了嚴重(zhong)的泄漏,導致對撞(zhuang)機暫(zan)停運轉。
自(zi)大約80個國(guo)家的7000名科(ke)學家和工程師(shi)參與了該項目(mu)。
60余名中(zhong)國科(ke)學(xue)(xue)家(其中(zhong)近四(si)(si)十人為臺灣科(ke)學(xue)(xue)家)參與強子(zi)對撞機實(shi)驗(yan)。四(si)(si)個(ge)主要(yao)實(shi)驗(yan)均有中(zhong)國科(ke)研單位和高(gao)校參與,分(fen)別為:中(zhong)科(ke)院高(gao)能物理(li)研究(jiu)所、中(zhong)國科(ke)技大(da)(da)學(xue)(xue)、山東大(da)(da)學(xue)(xue)、南京(jing)大(da)(da)學(xue)(xue)參與ATLAS實(shi)驗(yan);中(zhong)科(ke)院高(gao)能物理(li)研究(jiu)所、北京(jing)大(da)(da)學(xue)(xue)參與CMS實(shi)驗(yan);華(hua)中(zhong)師范大(da)(da)學(xue)(xue)參與ALICE實(shi)驗(yan);清華(hua)大(da)(da)學(xue)(xue)參與LHCb實(shi)驗(yan)。
大型強(qiang)子對撞機(LHC)是(shi)歐洲(zhou)粒子物理研究所(CERN)的加速器(qi)復合體的最新補充。
在(zai)這(zhe)個(ge)(ge)加速(su)器里面,2束高能粒(li)子流(liu)在(zai)彼此(ci)相撞之前,以接近光速(su)的(de)速(su)度向(xiang)前傳(chuan)播。這(zhe)兩(liang)(liang)束粒(li)子流(liu)分(fen)別(bie)通(tong)過不同光束管,向(xiang)相反方(fang)向(xiang)傳(chuan)播,這(zhe)兩(liang)(liang)根管子都處于(yu)超(chao)高真空(kong)狀態。一個(ge)(ge)強(qiang)磁場(chang)促使它們(men)圍繞那個(ge)(ge)加速(su)環運行,這(zhe)個(ge)(ge)強(qiang)磁場(chang)是利(li)用超(chao)導(dao)電(dian)磁石(shi)獲得的(de)。這(zhe)些超(chao)導(dao)電(dian)磁石(shi)是利(li)用特殊電(dian)纜線(xian)制成(cheng)的(de),它們(men)在(zai)超(chao)導(dao)狀態下進(jin)行操(cao)作(zuo),有(you)效(xiao)傳(chuan)導(dao)電(dian)流(liu),沒有(you)電(dian)阻消耗(hao)或(huo)能量損失。要達到(dao)這(zhe)種結果,大約需要將磁體冷(leng)卻到(dao)零下271℃,這(zhe)個(ge)(ge)溫度比(bi)外太(tai)空(kong)的(de)溫度還低。由于(yu)這(zhe)個(ge)(ge)原因,大部分(fen)加速(su)器都與一個(ge)(ge)液(ye)態氦(hai)(hai)分(fen)流(liu)系(xi)統(tong)和(he)其他設備(bei)相連,這(zhe)個(ge)(ge)液(ye)態氦(hai)(hai)分(fen)流(liu)系(xi)統(tong)是用來(lai)冷(leng)卻磁體的(de)。
大型(xing)強子(zi)對撞(zhuang)機(ji)利用數千(qian)個種類不同,型(xing)號(hao)各異的(de)磁體(ti)(ti)(ti),給該(gai)加速器(qi)周圍(wei)的(de)粒(li)子(zi)束(shu)指引方向。這些磁體(ti)(ti)(ti)中包(bao)括15米長的(de)1232雙極(ji)磁體(ti)(ti)(ti)和(he)392四(si)極(ji)磁體(ti)(ti)(ti),1232雙極(ji)磁體(ti)(ti)(ti)被(bei)(bei)用來彎曲粒(li)子(zi)束(shu),392四(si)極(ji)磁體(ti)(ti)(ti)每個都(dou)有(you)5到7米長,它(ta)(ta)們被(bei)(bei)用來集中粒(li)子(zi)流。在碰撞(zhuang)之前,大型(xing)強子(zi)對撞(zhuang)機(ji)利用另(ling)一種類型(xing)的(de)磁體(ti)(ti)(ti)“擠壓”粒(li)子(zi),讓它(ta)(ta)們彼此靠的(de)更近,以增加它(ta)(ta)們成功相撞(zhuang)的(de)機(ji)會。這些粒(li)子(zi)非常小(xiao),讓它(ta)(ta)們相撞(zhuang),就如同讓從相距10公里(li)的(de)兩(liang)地發射出來的(de)兩(liang)根針相撞(zhuang)一樣。
這個(ge)加(jia)速(su)器(qi)、它的(de)(de)儀器(qi)和技術方面的(de)(de)基礎設施的(de)(de)操(cao)作(zuo)器(qi),都安裝在歐(ou)洲(zhou)粒子物理研究所(suo)控(kong)制中(zhong)心的(de)(de)同一座建筑內。在這里(li),大型強子對撞機內的(de)(de)粒子流將在加(jia)速(su)器(qi)環周圍的(de)(de)4個(ge)區域(yu)相撞,這4個(ge)區域(yu)與粒子探(tan)測器(qi)的(de)(de)位(wei)置相對應。
兩個對撞(zhuang)加速管中(zhong)的(de)(de)(de)質(zhi)子(zi),各具有的(de)(de)(de)能量為(wei) 7 TeV (兆兆電子(zi)伏(fu)特),總撞(zhuang)擊能量達 14 TeV之譜。每個質(zhi)子(zi)環繞(rao)整個儲(chu)存(cun)環的(de)(de)(de)時間為(wei) 89 微秒(miao)(microsecond)。因為(wei)同步(bu)加速器(qi)的(de)(de)(de)特性,加速管中(zhong)的(de)(de)(de)粒(li)子(zi)是以(yi)粒(li)子(zi)團(bunch)的(de)(de)(de)形式,而非連續的(de)(de)(de)粒(li)子(zi)流(liu)。整個儲(chu)存(cun)環將會(hui)有2800個粒(li)子(zi)團,最短碰(peng)(peng)撞(zhuang)周期(qi)(qi)為(wei) 25 納秒(miao)(nanosecond)。在加速器(qi)開始運作的(de)(de)(de)初期(qi)(qi),將會(hui)以(yi)軌道中(zhong)放(fang)入較少(shao)的(de)(de)(de)粒(li)子(zi)團的(de)(de)(de)方式運作,碰(peng)(peng)撞(zhuang)周期(qi)(qi)為(wei) 75 納秒(miao),再(zai)逐(zhu)步(bu)提升到(dao)設計目(mu)標。
在粒子(zi)(zi)入射到主加(jia)速(su)環之前,會先經過一系列加(jia)速(su)設施,逐級提升能量(liang)(liang)。其中,由兩個(ge)直線加(jia)速(su)器所構成的質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)同(tong)(tong)步加(jia)速(su)器 (PS)將產生50 MeV的能量(liang)(liang),接著質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)同(tong)(tong)步推(tui)進器 (PSB)提升能量(liang)(liang)到1.4GeV。而(er)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)同(tong)(tong)步加(jia)速(su)環可達到26 GeV的能量(liang)(liang)。低能量(liang)(liang)入射環(LEIR)為一離子(zi)(zi)儲存與(yu)冷卻的裝置。反物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)減(jian)速(su)器 (AD)可以將3.57 GeV的反質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi),減(jian)速(su)到2 GeV。最后(hou)超級質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)同(tong)(tong)步加(jia)速(su)器(SPS)可提升質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)的能量(liang)(liang)到450 GeV。
LHC也(ye)(ye)可以用來加(jia)(jia)速對(dui)撞(zhuang)重(zhong)離子(zi)(zi),例如鉛(Pb)離子(zi)(zi)可加(jia)(jia)速到1150 TeV。由于LHC有著對(dui)工程技術上極(ji)端的(de)挑戰,安全上的(de)確保是極(ji)其(qi)重(zhong)要的(de)。當LHC開始(shi)運作(zuo)時,磁鐵中的(de)總能量(liang)高達100億焦(jiao)耳(GJ),而粒子(zi)(zi)束中的(de)總能量(liang)也(ye)(ye)高達725百萬焦(jiao)耳(MJ)。只需要10?7總粒子(zi)(zi)能量(liang)便(bian)可以使超導(dao)磁鐵脫離超導(dao)態,而丟(diu)棄全部的(de)加(jia)(jia)速粒子(zi)(zi)可相當于一個小型的(de)爆炸。
林恩·埃文斯(Lyn Evans),歐洲大(da)型強子(zi)對撞機的領導者。是威爾士一位礦工(gong)的兒子(zi),在阿布(bu)戴爾(Aberdare)中學(xue)(xue)時(shi)就對科學(xue)(xue)萌發(fa)了興趣(qu),獲得(de)了英國斯旺西(xi)大(da)學(xue)(xue)的物(wu)理學(xue)(xue)博士學(xue)(xue)位。
1969年,他花(hua)3個月時(shi)間訪問(wen)了歐洲(zhou)核(he)子(zi)物(wu)理研究組織(CERN)項目(mu)。從此,他和妻子(zi)以(yi)及家人就定居在這里。65歲的(de)(de)威爾(er)士人林恩·埃文斯大概可以(yi)算得上是(shi)這個世界上對“爆炸”最(zui)執著的(de)(de)人了。從小(xiao)就愛用各(ge)種化學物(wu)質搗鼓點小(xiao)爆炸的(de)(de)他,長(chang)大后(hou)又對宇(yu)宙大爆炸產生了興趣。
為了模(mo)擬宇宙大爆炸,解開宇宙之謎,他一(yi)手“策劃”了堪稱(cheng)世界(jie)上(shang)最大科學實驗(yan)的歐(ou)洲(zhou)大型強(qiang)子對撞機(ji)(LHC)項目。從設計,建造,到(dao)實驗(yan),埃文(wen)斯已經(jing)一(yi)路伴隨這個項目走(zou)過(guo)了近16個年頭。5個月前正式從歐(ou)洲(zhou)核子研究(jiu)中(zhong)心(CERN)退(tui)休后(hou),埃文(wen)斯漸漸放慢了工(gong)作(zuo)節奏,但他依然沒有(you)離開LHC項目。盡管不(bu)再擔任項目負責人,他在(zai)CMS(緊湊繆子線圈(quan))實驗(yan)小組中(zhong)仍然擔任著重(zhong)要工(gong)作(zuo)。
歐(ou)洲核(he)子研究(jiu)中心于2008年(nian)9月10日(ri)啟動大(da)型強子對(dui)撞機(LHC)。這個世界上(shang)最大(da)的(de)機器,有望揭開(kai)宇宙起源的(de)奧秘(mi)在內五大(da)謎團。
過去幾(ji)十年來(lai),物(wu)理(li)學家(jia)不(bu)斷在(zai)(zai)細節(jie)上(shang)加(jia)深(shen)對(dui)構成宇宙的(de)基本粒子及其交(jiao)互作用(yong)的(de)了(le)(le)解(jie)。了(le)(le)解(jie)的(de)加(jia)深(shen)讓(rang)粒子物(wu)理(li)學的(de)“標準模型”變得更為豐滿(man),但這個模型中仍存在(zai)(zai)縫隙,以至于我們無法繪制(zhi)一幅完整(zheng)的(de)圖(tu)畫。為了(le)(le)幫助科學家(jia)揭(jie)示粒子物(wu)理(li)學上(shang)這些關鍵(jian)性的(de)未(wei)解(jie)之謎,需要大量實(shi)驗數(shu)據(ju)支持,大型強子對(dui)撞(zhuang)(zhuang)機便(bian)擔負起“數(shu)據(ju)提供(gong)者”的(de)角色,這也是非常(chang)重要的(de)一個步(bu)驟。大型強子對(dui)撞(zhuang)(zhuang)機能夠將兩束質子加(jia)速(su)到空前的(de)能量狀態而后發生(sheng)相撞(zhuang)(zhuang),此時的(de)撞(zhuang)(zhuang)擊(ji)可能帶來(lai)意(yi)想(xiang)不(bu)到的(de)結果,絕對(dui)是任何人都無法想(xiang)象的(de)。
牛頓未完成的工作(zuo)——什么是質量?
質量的起源是什么(me)?為什么(me)微小粒(li)子(zi)擁有(you)質量,而其它(ta)一些粒(li)子(zi)卻沒(mei)有(you)這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)“待遇”?對于這(zhe)(zhe)些問題(ti),科學家(jia)到(dao)現在(zai)也(ye)沒(mei)有(you)找到(dao)一個確切答案。最(zui)有(you)可(ke)能的解釋似乎可(ke)以(yi)在(zai)希格斯(si)玻(bo)色子(zi)身上找到(dao)。希格斯(si)玻(bo)色子(zi)是“標準模型”這(zhe)(zhe)一粒(li)子(zi)物理(li)學理(li)論(lun)中最(zui)后(hou)一種(zhong)(zhong)(zhong)尚未被發現的粒(li)子(zi),它(ta)的存在(zai)是整個“標準模型”的基石(shi)。早在(zai)1964年,蘇格蘭物理(li)學家(jia)彼得·希格斯(si)(Peter Higgs)便首(shou)次預言存在(zai)這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)粒(li)子(zi),科學家(jia)多次通過這(zhe)(zhe)臺機器觀測到(dao)這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)粒(li)子(zi)。
ATLAS和CMS實驗將積極尋找(zhao)這(zhe)種難于捉(zhuo)摸的(de)粒子存在(zai)跡象(xiang)。
一個(ge)“看不見”的問題——96%的宇宙由什么構成(cheng)?
我(wo)們(men)在宇(yu)(yu)宙(zhou)中看到(dao)的(de)一切(qie)——從小螞蟻到(dao)巨(ju)大的(de)星系(xi)——都是由普通粒子(zi)(zi)構成的(de)。這些粒子(zi)(zi)被統稱為物質(zhi),它們(men)構成了(le)4%的(de)宇(yu)(yu)宙(zhou)。余(yu)下的(de)部(bu)分(fen)據信由暗(an)物質(zhi)——不(bu)發光(guang)的(de)物質(zhi)和(he)暗(an)能(neng)量構成,它們(men)對于整(zheng)個宇(yu)(yu)宙(zhou)的(de)構成與運行(xing)有(you)著極(ji)其(qi)重要的(de)作用。對它們(men)進行(xing)探(tan)測(ce)和(he)研究的(de)難度不(bu)可想象(xiang)。研究暗(an)物質(zhi)和(he)暗(an)能(neng)量的(de)性質(zhi)是當今粒子(zi)(zi)物理(li)學和(he)宇(yu)(yu)宙(zhou)學面臨(lin)的(de)最大挑戰之一。
ATLAS和CMS實驗將尋(xun)找超(chao)級對(dui)稱的粒子,用于驗證一種與暗物質(zhi)構成有關的假設。
大(da)自然的(de)偏好(hao)——為什么(me)找不(bu)到反物質?
我(wo)們(men)生(sheng)活在一個(ge)由物(wu)質(zhi)(zhi)構成(cheng)的(de)(de)世界,宇(yu)宙(zhou)萬物(wu)——包括我(wo)們(men)人(ren)類在內都是(shi)由物(wu)質(zhi)(zhi)構成(cheng)的(de)(de)。反(fan)物(wu)質(zhi)(zhi)就像物(wu)質(zhi)(zhi)的(de)(de)一個(ge)孿(luan)生(sheng)兄弟(di),但它(ta)卻(que)攜帶(dai)相反(fan)電荷(he)。在宇(yu)宙(zhou)誕生(sheng)時,“大爆炸”產(chan)生(sheng)了相同數量(liang)的(de)(de)物(wu)質(zhi)(zhi)和反(fan)物(wu)質(zhi)(zhi)。然而,一旦這(zhe)對(dui)孿(luan)生(sheng)兄弟(di)碰面,它(ta)們(men)就會“同歸于盡”,并最終轉換(huan)成(cheng)能量(liang)。不知何故(gu),少量(liang)物(wu)質(zhi)(zhi)幸(xing)存(cun)下來,并形成(cheng)我(wo)們(men)現(xian)在生(sheng)活的(de)(de)宇(yu)宙(zhou),而它(ta)的(de)(de)孿(luan)生(sheng)兄弟(di)反(fan)物(wu)質(zhi)(zhi)卻(que)幾乎(hu)消(xiao)失(shi)得無影(ying)無蹤。為什(shen)么大自然不能一碗(wan)水端平(ping),平(ping)等對(dui)待這(zhe)對(dui)孿(luan)生(sheng)兄弟(di)呢(ni)?
LHCb實(shi)驗將(jiang)尋找(zhao)物質與反物質之(zhi)間(jian)的(de)差異,幫(bang)助解(jie)釋大自然為(wei)何如此偏向。此前的(de)實(shi)驗已經觀察(cha)到兩者之(zhi)間(jian)的(de)些許不(bu)(bu)(bu)同(tong),但迄今為(wei)止(zhi)的(de)研究發現還(huan)不(bu)(bu)(bu)足以解(jie)釋宇宙中(zhong)的(de)物質和暗物質為(wei)何在(zai)數量上呈現出明顯的(de)不(bu)(bu)(bu)均衡。
“大(da)爆炸”的(de)(de)秘密——物質在宇宙誕生后的(de)(de)第(di)一秒呈什么狀態?
構(gou)成(cheng)宇(yu)宙(zhou)萬物的(de)(de)(de)(de)物質(zhi)據信來源于一(yi)系列(lie)密集(ji)而熾熱(re)的(de)(de)(de)(de)基本粒子。現(xian)在宇(yu)宙(zhou)中的(de)(de)(de)(de)普通物質(zhi)由原(yuan)子構(gou)成(cheng),原(yuan)子擁有一(yi)個(ge)由質(zhi)子和(he)中子構(gou)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)核子,質(zhi)子和(he)中子都是(shi)被稱之為(wei)“膠(jiao)子”的(de)(de)(de)(de)其它粒子束縛(fu)(fu)夸(kua)克(ke)形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)。這種束縛(fu)(fu)非(fei)常(chang)強大(da)(da),但(dan)在最初的(de)(de)(de)(de)宇(yu)宙(zhou),由于溫度極高(gao)加之能(neng)量巨大(da)(da),膠(jiao)子很(hen)難(nan)將夸(kua)克(ke)結合在一(yi)起。也(ye)就(jiu)是(shi)說,這種束縛(fu)(fu)似乎(hu)是(shi)在“大(da)(da)爆炸”發生后的(de)(de)(de)(de)最初幾微(wei)秒內(nei)形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de),此時的(de)(de)(de)(de)宇(yu)宙(zhou)擁有一(yi)個(ge)由夸(kua)克(ke)和(he)膠(jiao)子構(gou)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)非(fei)常(chang)熾熱(re)而密集(ji)的(de)(de)(de)(de)混合物,也(ye)就(jiu)是(shi)所說的(de)(de)(de)(de)“夸(kua)克(ke)-膠(jiao)子等(deng)離子體”。
ALICE實驗將(jiang)利(li)用大(da)型(xing)強子對撞(zhuang)機模擬大(da)爆炸(zha)發生后(hou)的原始宇宙形(xing)態,分析夸克(ke)-膠子等離子體的性質。
隱藏(zang)的世界——空間的額外(wai)維度真(zhen)的存(cun)在嗎?
根據(ju)愛因斯坦廣義相對論,人類(lei)生(sheng)存的(de)三維(wei)空間加上時間軸(zhou)即(ji)構成所謂四(si)維(wei)時空。后來(lai)的(de)理(li)論認為,可能存在擁有隱(yin)藏維(wei)度的(de)空間。弦理(li)論便暗示(shi)額外的(de)空間維(wei)度尚未被人類(lei)觀察(cha)到,它(ta)們(men)似乎會在高能條件下顯現(xian)出來(lai)。基于這種推(tui)測(ce),科(ke)學家將對所有探(tan)測(ce)器(qi)獲得的(de)數據(ju)進(jin)行仔細分(fen)析,以尋找額外維(wei)度存在跡象。
物(wu)理(li)學家希望借由(you)加速器對撞(zhuang)機來幫助他(ta)們解答下列的問題:
標準模型(xing)中所流行的造成基本粒子(zi)質量的希格(ge)斯機制是真(zhen)實的嗎(ma)?
真(zhen)是(shi)如此(ci)的(de)話,希格斯粒子有多少種(zhong),質(zhi)量(liang)又(you)分別是(shi)多少呢?
當重(zhong)子的質量被更(geng)精(jing)確的測量時,標準模型(xing)是否(fou)仍然(ran)成立(li)的?
粒(li)子是否有相對應的超對稱(SUSY)粒(li)子存(cun)在?
為何物質與反物質是不(bu)對稱的?
有(you)更高維度的(de)空間(Kaluza-Kleintheory,extradimensions)存在嗎?
我們可以見到這啟發弦論(lun)的現象嗎?
宇宙有96%的(de)質(zhi)量是天文學上無法觀測到的(de),這些到底是什么?
為何萬(wan)有引力比起其他三個基本作(zuo)用(yong)力(電磁力,強作(zuo)用(yong)力,弱作(zuo)用(yong)力)差了這么多個數量級?
重離子對撞機
雖然LHC的(de)(de)(de)物理實驗(yan)計劃,著重(zhong)于(yu)研(yan)究質子(zi)對撞(zhuang)后的(de)(de)(de)現象。然而,短(duan)期的(de)(de)(de)如每年一個(ge)月的(de)(de)(de)重(zhong)離(li)子(zi)對撞(zhuang)也在實驗(yan)計劃之中。雖然其他(ta)較(jiao)輕的(de)(de)(de)離(li)子(zi)對撞(zhuang)實驗(yan)也是可行的(de)(de)(de),主(zhu)要(yao)的(de)(de)(de)規劃為鉛離(li)子(zi)的(de)(de)(de)對撞(zhuang)實驗(yan)。
世界上最大的機器
大型強(qiang)子(zi)對撞機的精確周長(chang)是2.6659萬米,內部總共(gong)有(you)9300個磁(ci)(ci)(ci)體(ti)。大型強(qiang)子(zi)對撞機不僅是世界上(shang)(shang)最大的粒子(zi)加速器,而(er)且僅它的制冷分(fen)配系統(cryogenic distribution system)的八分(fen)之一,就(jiu)稱得上(shang)(shang)是世界上(shang)(shang)最大的制冷機。制冷分(fen)配系統在(zai)充滿(man)近60噸液態(tai)氦,將所有(you)磁(ci)(ci)(ci)體(ti)都(dou)冷卻(que)到零下271.3℃(1.9開氏(shi)度)前,它將先利用1.008萬噸液態(tai)氮將這些磁(ci)(ci)(ci)體(ti)的溫(wen)度降低到零下193.2℃。
世界上最快的跑道
功率(lv)達到最大(da)(da)時,數(shu)萬億個(ge)質子(zi)(zi)將在(zai)大(da)(da)型強子(zi)(zi)對(dui)撞(zhuang)(zhuang)機周圍的(de)加速器環內以每秒(miao)1.1245萬次(ci)的(de)頻率(lv)急(ji)速穿(chuan)行,它們的(de)速度是(shi)光(guang)速的(de)99.9999991%。兩(liang)束(shu)(shu)質子(zi)(zi)束(shu)(shu)分別以70000億電(dian)子(zi)(zi)伏特的(de)最大(da)(da)功率(lv)相向而(er)行,在(zai)功率(lv)達到140000億電(dian)子(zi)(zi)伏特時發生碰撞(zhuang)(zhuang)。每秒(miao)總共(gong)能發生大(da)(da)約6億次(ci)撞(zhuang)(zhuang)擊。
太陽系中最空的空間
為了避免加速器中的粒子束與空氣分子相撞,這些粒(li)子(zi)束在像行(xing)星間的(de)空(kong)(kong)間一(yi)樣(yang)空(kong)(kong)蕩的(de)超真空(kong)(kong)環境中穿行(xing)。大(da)型強(qiang)子(zi)對撞機的(de)內壓是10^(-13)(10的(de)負13次方)個大(da)氣(qi)壓,比月球上的(de)壓力小(xiao)10倍。
銀河系最熱點
大(da)型強子對撞(zhuang)機是一個(ge)極(ji)熱和極(ji)冷并存的(de)(de)(de)機器。當(dang)兩束(shu)質子束(shu)相撞(zhuang)時,它們將在(zai)一個(ge)極(ji)小的(de)(de)(de)空間內產生比(bi)太陽中心熱10萬(wan)倍的(de)(de)(de)高溫(wen)。與之相比(bi),促使(shi)超流(liu)體氦(hai)在(zai)加(jia)速(su)器環(huan)周圍循環(huan)的(de)(de)(de)制冷分配系統,讓大(da)型強子對撞(zhuang)機保(bao)持在(zai)零下271.3℃(1.9開氏(shi)度(du)(du))的(de)(de)(de)超低溫(wen)環(huan)境下,這個(ge)溫(wen)度(du)(du)比(bi)外太空的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)還低。
史上最先進的探測器
為了(le)(le)抽樣檢查和(he)記錄每(mei)秒多達(da)6億(yi)次(ci)的(de)質(zhi)子(zi)(zi)相撞(zhuang)結果,物理學家和(he)工程師已(yi)經制造了(le)(le)測(ce)量(liang)粒(li)子(zi)(zi)的(de)精(jing)確(que)度(du)(du)是微米的(de)龐大儀器(qi)。大型強子(zi)(zi)對撞(zhuang)機(ji)的(de)探(tan)測(ce)器(qi)擁有先(xian)進(jin)的(de)電子(zi)(zi)觸發系統,它(ta)測(ce)量(liang)粒(li)子(zi)(zi)經過時(shi)所用(yong)時(shi)間的(de)精(jing)確(que)度(du)(du),大約是十億(yi)分(fen)之(zhi)一(yi)秒。這個(ge)觸發系統在確(que)定粒(li)子(zi)(zi)的(de)位(wei)置時(shi),精(jing)確(que)度(du)(du)可達(da)百(bai)萬分(fen)之(zhi)一(yi)米。這種令人難以置信的(de)快速和(he)精(jing)確(que)反(fan)應,是確(que)保一(yi)個(ge)探(tan)測(ce)器(qi)連(lian)續層內(nei)記錄的(de)粒(li)子(zi)(zi)保持(chi)一(yi)致的(de)基礎。
世界最強大計算機系統
記錄大(da)(da)型(xing)強子(zi)對撞(zhuang)機進行的(de)每(mei)項大(da)(da)試驗的(de)數(shu)(shu)(shu)據,每(mei)年(nian)大(da)(da)約足(zu)夠刻10億張(zhang)雙面DVD光盤。據估(gu)計,大(da)(da)型(xing)強子(zi)對撞(zhuang)機的(de)壽命是15年(nian)。為(wei)了(le)讓世界各地(di)的(de)數(shu)(shu)(shu)千名科學家在(zai)未來15年(nian)內通力(li)合作(zuo),分析這些數(shu)(shu)(shu)據,分布在(zai)世界各地(di)的(de)好幾(ji)萬臺電腦將利用一種被(bei)稱作(zuo)網格(ge)的(de)分散式計算網(distributed computing network)實施研究工作(zuo)。
世(shi)界各地的數(shu)千名科學(xue)家都(dou)希望(wang)了解(jie)(jie)并(bing)分析這些(xie)數(shu)據(ju)(ju)。為(wei)了解(jie)(jie)決(jue)這個(ge)(ge)問題,目(mu)前歐洲(zhou)粒(li)子(zi)物(wu)理研(yan)究(jiu)所(CERN)正在建一個(ge)(ge)分散的計算(suan)和數(shu)據(ju)(ju)儲(chu)存(cun)設施——大(da)(da)型強子(zi)對(dui)撞機(ji)計算(suan)網格(ge)(LCG)。大(da)(da)型強子(zi)對(dui)撞機(ji)實驗產生(sheng)的數(shu)據(ju)(ju),將(jiang)通過歐洲(zhou)粒(li)子(zi)物(wu)理研(yan)究(jiu)所記錄在磁(ci)帶(dai)進行原始(shi)文件備(bei)份后,再(zai)分發(fa)到世(shi)界各地。經(jing)過初始(shi)加工,這種數(shu)據(ju)(ju)將(jiang)被傳送到可為(wei)大(da)(da)量數(shu)據(ju)(ju)提供(gong)充足儲(chu)存(cun)空(kong)間的一系列(lie)大(da)(da)型計算(suan)機(ji)中心(xin),這些(xie)計算(suan)機(ji)中心(xin)一天(tian)二十四小(xiao)時(shi)不停地為(wei)大(da)(da)型強子(zi)對(dui)撞機(ji)計算(suan)網格(ge)提供(gong)服務。
中(zhong)(zhong)國(guo)臺(tai)灣也參與(yu)其中(zhong)(zhong),負(fu)責其中(zhong)(zhong)兩項(xiang)重(zhong)要系統的(de)研(yan)(yan)發,并處(chu)理(li)龐大實驗數據。亞洲唯一(yi)的(de)電腦中(zhong)(zhong)心就設在臺(tai)灣的(de)中(zhong)(zhong)研(yan)(yan)院。這次臺(tai)灣約有(you)40名科學家(jia)參與(yu)這項(xiang)國(guo)際實驗,負(fu)責世(shi)界上最(zui)大與(yu)最(zui)重(zhong)的(de)偵測器研(yan)(yan)發,而且處(chu)理(li)龐大實驗數據所(suo)倚賴(lai)的(de)「網格電腦」就設在臺(tai)灣的(de)中(zhong)(zhong)研(yan)(yan)院。
經過這(zhe)些計(ji)算機中(zhong)(zhong)心的處理,其(qi)他設備(bei)(bei)就(jiu)可使(shi)用(yong)這(zhe)些數據了,其(qi)他的設備(bei)(bei)每個(ge)(ge)都(dou)有一個(ge)(ge)或幾(ji)個(ge)(ge)實施特(te)殊分(fen)析(xi)任務的聯合(he)計(ji)算機中(zhong)(zhong)心組成。當個(ge)(ge)科學(xue)(xue)家(jia)可通過大學(xue)(xue)部(bu)門的局域網(wang)或個(ge)(ge)人電腦了解(jie)這(zhe)些設備(bei)(bei),這(zhe)些人可能會經常查(cha)看大型強子對(dui)撞機計(ji)算網(wang)格。
2014年7月,中國北京高(gao)能(neng)物理研究所正在(zai)籌備一個(ge)兩(liang)倍于LHC的環形粒子對(dui)撞機。
中(zhong)國將要修建的(de)對(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)機周長達(da)到了(le)52公(gong)里,對(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)能量(liang)高達(da)70 TeV。按(an)計(ji)劃,中(zhong)國的(de)對(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)機將在初(chu)期(qi)階段(duan)只針對(dui)(dui)電(dian)子,且對(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)能量(liang)僅有能量(liang)240 GeV,而(er)后期(qi)則(ze)逐漸開足馬(ma)力進(jin)行(xing)質子對(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)。
預計中國的對撞(zhuang)機(ji)將在2028年投入(ru)使(shi)用(yong),耗資30億美元(yuan),目前尚(shang)不(bu)清楚這是否(fou)是一個與國外同行(xing)攜手進行(xing)的聯合項目。