建造過程和探索微觀粒子的目的
大型強子對撞(zhuang)器(qi)(qi),英文名稱(cheng)為(wei)LHC(Large Hadron Collider)是一座位于瑞(rui)士日內瓦(wa)近郊歐(ou)洲核子研究組織CERN的粒子加速器(qi)(qi)與對撞(zhuang)機,作(zuo)為(wei)國際高能物(wu)理學研究之用。地理坐(zuo)標為(wei)北緯46°14′00″,東經(jing)6°03′00″46.23;6.05, LHC已經(jing)建造完成。
大型強子對撞(zhuang)機將是(shi)世界上最大、能量(liang)最高(gao)的(de)(de)(de)粒子加速器,來自大約(yue)80個國家(jia)的(de)(de)(de)7000名(ming)科學家(jia)和(he)工程(cheng)師(shi)。由40個國家(jia)建(jian)造。是(shi)一種將質子加速對撞(zhuang)的(de)(de)(de)高(gao)能物理設備(bei)。它是(shi)一個圓形加速器,深埋于地(di)下100米,它的(de)(de)(de)環狀隧(sui)道有 27 公里長,坐(zuo)落于在瑞(rui)士日內瓦的(de)(de)(de)歐洲核(he)子研究(jiu)中心(又名(ming)歐洲粒子物理實(shi)驗室),橫跨法國和(he)瑞(rui)士的(de)(de)(de)邊境。
為(wei)了節省成本,物理學(xue)家(jia)們(men)(men)沒有開鑿一(yi)條昂(ang)貴的(de)(de)(de)(de)(de)新隧道來(lai)容納新的(de)(de)(de)(de)(de)對(dui)撞(zhuang)機(ji),而是(shi)決定拆(chai)掉原來(lai)安(an)置在(zai)(zai)歐洲原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核研究中心的(de)(de)(de)(de)(de)正負(fu)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)加速器(qi),代之以建(jian)造(zao)大(da)型強(qiang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)對(dui)撞(zhuang)機(ji)所需要的(de)(de)(de)(de)(de)5萬噸(dun)設備。當兩個(ge)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)束在(zai)(zai)環形隧道中沿著反方向(xiang)運動的(de)(de)(de)(de)(de)時候(hou),強(qiang)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)場使它們(men)(men)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)急劇增加。這些粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)每運行(xing)一(yi)圈,就會獲(huo)得更多的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)。要保持(chi)如此(ci)高(gao)能(neng)(neng)(neng)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)束繼續(xu)運行(xing)需要非常(chang)強(qiang)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)磁場。這么強(qiang)的(de)(de)(de)(de)(de)磁場是(shi)由冷(leng)卻到(dao)接近絕對(dui)零度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)超導電(dian)(dian)(dian)磁體產生的(de)(de)(de)(de)(de)。物理學(xue)家(jia)們(men)(men)最希(xi)望建(jian)造(zao)的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)一(yi)個(ge)30公里長的(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)器(qi),它能(neng)(neng)(neng)以至少5千億電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)伏的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)將電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和正電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)一(yi)起(qi)粉碎。 目前(qian);對(dui)撞(zhuang)機(ji)已經發(fa)現了‘希(xi)格斯粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)希(xi)格斯玻色子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)存(cun)在(zai)(zai),升(sheng)級后發(fa)現‘夸克(ke)奇異重子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)’五種夸克(ke)的(de)(de)(de)(de)(de)‘味變’集(ji)合(he)體存(cun)在(zai)(zai),改造(zao)升(sheng)級能(neng)(neng)(neng)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)加大(da)還會‘探(tan)索發(fa)現’超對(dui)稱粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和希(xi)格斯耦合(he)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)與(yu)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)額(e)外維相存(cun)在(zai)(zai)。
LHC是(shi)一個(ge)(ge)國際合作(zuo)的計(ji)劃,由(you)34個(ge)(ge)國家超(chao)過(guo)兩千(qian)位物理(li)學(xue)家所屬的大(da)學(xue)與(yu)實驗室所共同出資(zi)合作(zuo)興建的。
LHC包(bao)含(han)了一個(ge)圓周(zhou)為(wei)27公里的(de)圓形隧(sui)道,因當地(di)地(di)形的(de)緣故位于(yu)地(di)下(xia)(xia)50至150米(mi)之間(jian)。這是先前大型電子(zi)正子(zi)加(jia)速器(LEP)所使(shi)用(yong)隧(sui)道的(de)再(zai)利用(yong),隧(sui)道本身直徑三米(mi),位于(yu)同(tong)一平面(mian)上,并貫穿瑞士與法國(guo)邊(bian)境(jing),主要的(de)部分大半位于(yu)法國(guo)。雖然隧(sui)道本身位于(yu)地(di)底下(xia)(xia),尚(shang)有許多地(di)面(mian)設(she)施(shi)如(ru)冷(leng)卻(que)壓縮機(ji),通風設(she)備,控制電機(ji)設(she)備,還有冷(leng)凍(dong)槽等(deng)(deng)等(deng)(deng)建構(gou)于(yu)其上。
加(jia)速器通(tong)道(dao)中(zhong),主要是放置兩(liang)個質子(zi)束管(guan)。加(jia)速管(guan)由超導磁(ci)鐵(tie)所包覆(fu),以(yi)液態氦(hai)來冷(leng)卻。管(guan)中(zhong)的(de)質子(zi)是以(yi)相反的(de)方向,環繞(rao)著整(zheng)個環型加(jia)速器運(yun)行(xing)。除此之外,在四個實驗碰撞點附近(jin),另有安裝其(qi)他的(de)偏(pian)向磁(ci)鐵(tie)及聚焦磁(ci)鐵(tie)。
LHC加速環(huan)的(de)四個碰(peng)撞(zhuang)點(dian),分別設(she)有五個偵(zhen)(zhen)(zhen)測(ce)(ce)器(qi)在碰(peng)撞(zhuang)點(dian)的(de)地穴中。其(qi)(qi)中超環(huan)面儀(yi)器(qi) (ATLAS)與緊湊(cou)渺子線圈(CMS)是通用型(xing)的(de)粒子偵(zhen)(zhen)(zhen)測(ce)(ce)器(qi)。其(qi)(qi)他三個(LHC底(di)夸克偵(zhen)(zhen)(zhen)測(ce)(ce)器(qi)(LHCb),大型(xing)離子對撞(zhuang)器(qi)(ALICE)以及全截面彈性散射偵(zhen)(zhen)(zhen)測(ce)(ce)器(qi)(TOTEM)則是較小型(xing)的(de)特殊(shu)目標偵(zhen)(zhen)(zhen)測(ce)(ce)器(qi)。
1994年,大型強子對撞(zhuang)機項(xiang)目(mu)立項(xiang)后,林恩·埃文斯(si)理所(suo)當然地(di)就成為(wei)了這個耗資百億美(mei)元(yuan)的項(xiang)目(mu)的負責人。對撞(zhuang)機從設計到建造,都由(you)他(ta)全權負責。14年后,在瑞(rui)士和法國交界地(di)區地(di)下100米(mi)深處的周(zhou)長為(wei)27公里的環形隧道里,埃文斯(si)和全球80多個國家(jia)近萬名科(ke)學家(jia)的心血結晶——大型強子對撞(zhuang)機正式建成。
在2005年(nian)10月25日(ri),因為起重機載(zai)貨的(de)意外掉落,造成(cheng)一位技術人員的(de)喪生(sheng)。
2007年3月27日,由費米實驗室所(suo)負責建造,一(yi)個用于(yu) LHC 內部的三(san)極低溫(wen)超(chao)導磁(ci)鐵(tie)(屬(shu)于(yu)聚焦用四極磁(ci)鐵(tie)),因為支(zhi)撐架的設計不(bu)良,在壓(ya)力測試時(shi)發生(sheng)破損。雖然沒有(you)造成人員(yuan)的傷亡,但是卻嚴重影(ying)響了(le) LHC 開始運作(zuo)的時(shi)程。
2008年6月15日,在(zai)埃文(wen)(wen)斯的(de)退休(xiu)儀式(shi)上,這6位主任紛紛親自出(chu)面(mian)或通過(guo)視頻(pin)向他致以敬(jing)意。他們還聯合簽(qian)署(shu)了一份文(wen)(wen)件(jian),將大型(xing)強子對撞機以林恩·埃文(wen)(wen)斯的(de)名字命(ming)名,并(bing)制作了一個(ge)對撞機偶極子的(de)小模型(xing)贈送(song)給埃文(wen)(wen)斯。
2008年9月(yue)10日,對撞機初次啟動進行測(ce)試(shi)。埃文斯將(jiang)手(shou)指(zhi)放在鼠標(biao)上,親自點擊啟動了(le)首次測(ce)試(shi)。這次測(ce)試(shi)是研究人員將(jiang)一個質子束(shu)以順時針方向注(zhu)入到(dao)(dao)加(jia)速(su)(su)器(qi)中(zhong),讓其加(jia)速(su)(su)到(dao)(dao)99.9998%光速(su)(su)的超快速(su)(su)度(du),從而(er)使此質子束(shu)在全長27公里的環(huan)形隧道中(zhong)以每秒11245圈的速(su)(su)度(du)狂飆。這一幕(mu)通過網(wang)絡視(shi)頻向世界(jie)進行了(le)直播,還(huan)有300多名記者(zhe)來到(dao)(dao)此實(shi)驗室目睹測(ce)試(shi)過程。
2008年9月19日,LHC,第(di)三與(yu)第(di)四段之間(jian),用來冷卻超(chao)導磁鐵的(de)液態氦,發(fa)生了嚴(yan)重的(de)泄(xie)漏。據推測是由于聯接(jie)兩(liang)個超(chao)導磁鐵的(de)接(jie)點接(jie)觸不良,在超(chao)導高電(dian)流的(de)情況(kuang)下融毀所(suo)造(zao)成(cheng)的(de)。依據CERN的(de)安全條(tiao)例,必需將磁鐵升回到(dao)室溫后(hou)詳細檢查(cha)才能繼續運(yun)(yun)轉,這將需要三到(dao)四周的(de)時(shi)間(jian)。要再(zai)冷卻回運(yun)(yun)作(zuo)溫度(du),也是得經過(guo)三四周的(de)時(shi)間(jian),如此(ci)正好遇(yu)上(shang)預定的(de)年度(du)檢修時(shi)程(cheng),因此(ci)要開始(shi)運(yun)(yun)作(zuo)將可能延(yan)遲至2009年春天。
2008年10月16日(ri),CERN發(fa)布了關于液態(tai)氦泄(xie)漏(lou)事件的(de)(de)調查分(fen)析(xi),證實了先(xian)前推測(ce)的(de)(de)為兩超導磁鐵間接(jie)點不(bu)良所造成的(de)(de)。由于安(an)(an)全條例確(que)實地實行、安(an)(an)全設(she)計(ji)皆有(you)正常工作(zuo)、并且替換用的(de)(de)零件都有(you)庫存,預期2009年6月重啟(qi)。
2008年9月10日下午15:30正式開始運作,成為(wei)世(shi)界上最大的粒子加速器設施。
2008年9月19日,LHC第三與(yu)第四段之間,用(yong)來冷卻(que)超導(dao)磁鐵的液態氦,發生了嚴重的泄漏,導(dao)致對撞機暫(zan)停運(yun)轉。
自大約80個國家的(de)7000名科學家和工程師參與了該項目。
60余(yu)名(ming)中(zhong)國科(ke)(ke)學家(jia)(其中(zhong)近四(si)(si)十人為臺(tai)灣科(ke)(ke)學家(jia))參與(yu)(yu)強子對撞機實(shi)(shi)驗(yan)。四(si)(si)個主要實(shi)(shi)驗(yan)均有中(zhong)國科(ke)(ke)研(yan)單(dan)位和(he)高校參與(yu)(yu),分別為:中(zhong)科(ke)(ke)院高能物理(li)研(yan)究所、中(zhong)國科(ke)(ke)技大(da)(da)(da)(da)學、山(shan)東大(da)(da)(da)(da)學、南京(jing)(jing)大(da)(da)(da)(da)學參與(yu)(yu)ATLAS實(shi)(shi)驗(yan);中(zhong)科(ke)(ke)院高能物理(li)研(yan)究所、北京(jing)(jing)大(da)(da)(da)(da)學參與(yu)(yu)CMS實(shi)(shi)驗(yan);華中(zhong)師范(fan)大(da)(da)(da)(da)學參與(yu)(yu)ALICE實(shi)(shi)驗(yan);清(qing)華大(da)(da)(da)(da)學參與(yu)(yu)LHCb實(shi)(shi)驗(yan)。
大型強子對撞機(LHC)是歐洲(zhou)粒子物理(li)研究(jiu)所(CERN)的加速(su)器(qi)復(fu)合體(ti)的最新補充。
在(zai)這(zhe)(zhe)(zhe)個加(jia)速(su)(su)器(qi)里面,2束高能(neng)粒(li)子流在(zai)彼此相撞之(zhi)前,以接近光速(su)(su)的(de)(de)速(su)(su)度(du)向前傳(chuan)播。這(zhe)(zhe)(zhe)兩束粒(li)子流分別通過(guo)不同光束管,向相反方向傳(chuan)播,這(zhe)(zhe)(zhe)兩根管子都(dou)處于超高真空狀態。一(yi)(yi)個強磁(ci)場促使它(ta)們圍繞那個加(jia)速(su)(su)環運行,這(zhe)(zhe)(zhe)個強磁(ci)場是(shi)利用(yong)超導電磁(ci)石獲得的(de)(de)。這(zhe)(zhe)(zhe)些超導電磁(ci)石是(shi)利用(yong)特殊電纜線制成的(de)(de),它(ta)們在(zai)超導狀態下進行操作(zuo),有效(xiao)傳(chuan)導電流,沒有電阻消(xiao)耗或(huo)能(neng)量(liang)損失。要達到這(zhe)(zhe)(zhe)種結果,大約需要將磁(ci)體冷卻到零下271℃,這(zhe)(zhe)(zhe)個溫度(du)比外太空的(de)(de)溫度(du)還低。由于這(zhe)(zhe)(zhe)個原因,大部分加(jia)速(su)(su)器(qi)都(dou)與一(yi)(yi)個液態氦分流系(xi)統和其他設備相連,這(zhe)(zhe)(zhe)個液態氦分流系(xi)統是(shi)用(yong)來冷卻磁(ci)體的(de)(de)。
大型強(qiang)子(zi)對(dui)撞(zhuang)機(ji)利(li)用(yong)數千個種(zhong)類不同(tong),型號各(ge)異的(de)(de)磁體(ti)(ti)(ti),給(gei)該加速器周圍的(de)(de)粒(li)子(zi)束(shu)指引方向。這(zhe)些磁體(ti)(ti)(ti)中包括15米(mi)長的(de)(de)1232雙(shuang)極磁體(ti)(ti)(ti)和392四極磁體(ti)(ti)(ti),1232雙(shuang)極磁體(ti)(ti)(ti)被(bei)用(yong)來(lai)彎曲粒(li)子(zi)束(shu),392四極磁體(ti)(ti)(ti)每個都有5到(dao)7米(mi)長,它(ta)們被(bei)用(yong)來(lai)集(ji)中粒(li)子(zi)流。在碰撞(zhuang)之前,大型強(qiang)子(zi)對(dui)撞(zhuang)機(ji)利(li)用(yong)另(ling)一(yi)種(zhong)類型的(de)(de)磁體(ti)(ti)(ti)“擠壓”粒(li)子(zi),讓它(ta)們彼(bi)此靠的(de)(de)更(geng)近(jin),以增加它(ta)們成功相(xiang)撞(zhuang)的(de)(de)機(ji)會(hui)。這(zhe)些粒(li)子(zi)非常小,讓它(ta)們相(xiang)撞(zhuang),就如同(tong)讓從(cong)相(xiang)距10公(gong)里的(de)(de)兩(liang)地(di)發射出來(lai)的(de)(de)兩(liang)根針相(xiang)撞(zhuang)一(yi)樣。
這個(ge)(ge)加速器(qi)(qi)、它的(de)(de)儀器(qi)(qi)和技術方面的(de)(de)基礎設施的(de)(de)操作器(qi)(qi),都安(an)裝在(zai)歐(ou)洲粒子(zi)物理研究所控制中心(xin)的(de)(de)同一座(zuo)建筑內。在(zai)這里,大型(xing)強子(zi)對撞(zhuang)(zhuang)機內的(de)(de)粒子(zi)流將在(zai)加速器(qi)(qi)環周圍(wei)的(de)(de)4個(ge)(ge)區(qu)域相撞(zhuang)(zhuang),這4個(ge)(ge)區(qu)域與粒子(zi)探(tan)測器(qi)(qi)的(de)(de)位(wei)置(zhi)相對應。
兩個對撞加(jia)(jia)速(su)(su)管中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)質(zhi)子(zi)(zi),各(ge)具(ju)有的(de)(de)(de)能量(liang)為(wei) 7 TeV (兆兆電(dian)子(zi)(zi)伏特),總撞擊能量(liang)達(da) 14 TeV之譜。每(mei)個質(zhi)子(zi)(zi)環(huan)繞整個儲(chu)存(cun)環(huan)的(de)(de)(de)時(shi)間為(wei) 89 微秒(microsecond)。因為(wei)同步加(jia)(jia)速(su)(su)器(qi)的(de)(de)(de)特性,加(jia)(jia)速(su)(su)管中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)粒(li)(li)子(zi)(zi)是(shi)以粒(li)(li)子(zi)(zi)團(tuan)(bunch)的(de)(de)(de)形式(shi),而(er)非連續的(de)(de)(de)粒(li)(li)子(zi)(zi)流。整個儲(chu)存(cun)環(huan)將(jiang)會有2800個粒(li)(li)子(zi)(zi)團(tuan),最短碰撞周期為(wei) 25 納秒(nanosecond)。在加(jia)(jia)速(su)(su)器(qi)開始(shi)運作(zuo)的(de)(de)(de)初期,將(jiang)會以軌道中(zhong)(zhong)放入(ru)較少的(de)(de)(de)粒(li)(li)子(zi)(zi)團(tuan)的(de)(de)(de)方式(shi)運作(zuo),碰撞周期為(wei) 75 納秒,再逐(zhu)步提(ti)升到設計目標。
在粒子(zi)(zi)(zi)入射到主(zhu)加(jia)(jia)(jia)速(su)環之前(qian),會先經(jing)過一(yi)系列加(jia)(jia)(jia)速(su)設施,逐(zhu)級提升(sheng)能(neng)(neng)(neng)量。其中,由兩(liang)個直(zhi)線加(jia)(jia)(jia)速(su)器(qi)(qi)所構成(cheng)的(de)(de)質子(zi)(zi)(zi)同步加(jia)(jia)(jia)速(su)器(qi)(qi) (PS)將(jiang)產生50 MeV的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量,接著質子(zi)(zi)(zi)同步推進器(qi)(qi) (PSB)提升(sheng)能(neng)(neng)(neng)量到1.4GeV。而質子(zi)(zi)(zi)同步加(jia)(jia)(jia)速(su)環可(ke)達到26 GeV的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量。低能(neng)(neng)(neng)量入射環(LEIR)為一(yi)離子(zi)(zi)(zi)儲存與冷卻的(de)(de)裝置。反物質減(jian)速(su)器(qi)(qi) (AD)可(ke)以將(jiang)3.57 GeV的(de)(de)反質子(zi)(zi)(zi),減(jian)速(su)到2 GeV。最后超級質子(zi)(zi)(zi)同步加(jia)(jia)(jia)速(su)器(qi)(qi)(SPS)可(ke)提升(sheng)質子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量到450 GeV。
LHC也可(ke)以用來加(jia)速(su)(su)(su)對撞重離子(zi),例如鉛(Pb)離子(zi)可(ke)加(jia)速(su)(su)(su)到1150 TeV。由(you)于LHC有(you)著對工程技(ji)術上(shang)(shang)極(ji)端的(de)(de)(de)(de)挑戰,安全上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)確保(bao)是極(ji)其(qi)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)。當LHC開(kai)始(shi)運作時,磁鐵中的(de)(de)(de)(de)總能(neng)量(liang)高(gao)達100億焦耳(GJ),而(er)(er)粒子(zi)束中的(de)(de)(de)(de)總能(neng)量(liang)也高(gao)達725百萬焦耳(MJ)。只(zhi)需要(yao)10?7總粒子(zi)能(neng)量(liang)便可(ke)以使超(chao)導磁鐵脫離超(chao)導態(tai),而(er)(er)丟(diu)棄(qi)全部的(de)(de)(de)(de)加(jia)速(su)(su)(su)粒子(zi)可(ke)相當于一個小型(xing)的(de)(de)(de)(de)爆炸。
林恩·埃文斯(Lyn Evans),歐(ou)洲大型(xing)強子對(dui)撞機的(de)領導者。是威爾(er)士(shi)一位礦(kuang)工的(de)兒子,在阿布戴爾(er)(Aberdare)中學時就(jiu)對(dui)科學萌(meng)發了興趣,獲得了英(ying)國(guo)斯旺西大學的(de)物理學博士(shi)學位。
1969年,他(ta)(ta)花(hua)3個月時間訪問(wen)了歐(ou)洲核子(zi)物理研究組織(CERN)項目(mu)。從(cong)此,他(ta)(ta)和妻(qi)子(zi)以及家人就定居(ju)在這里。65歲(sui)的(de)(de)威(wei)爾士人林恩·埃文斯大(da)(da)(da)概可以算得上是這個世界上對(dui)“爆炸”最執(zhi)著的(de)(de)人了。從(cong)小(xiao)就愛用各種化(hua)學物質搗鼓點小(xiao)爆炸的(de)(de)他(ta)(ta),長(chang)大(da)(da)(da)后又對(dui)宇宙大(da)(da)(da)爆炸產生了興趣。
為了模擬(ni)宇宙(zhou)大爆炸,解開宇宙(zhou)之謎,他一手(shou)“策劃”了堪稱世界上最大科學實(shi)驗(yan)的(de)歐(ou)洲(zhou)大型(xing)強子對(dui)撞機(LHC)項目。從設(she)計,建造(zao),到實(shi)驗(yan),埃文斯已經一路伴隨這(zhe)個(ge)(ge)項目走過了近16個(ge)(ge)年(nian)頭。5個(ge)(ge)月前正式從歐(ou)洲(zhou)核(he)子研(yan)究中(zhong)心(xin)(CERN)退休后,埃文斯漸漸放慢了工作(zuo)節奏,但他依然沒有離開LHC項目。盡管不再擔(dan)任項目負責(ze)人,他在CMS(緊湊繆(mou)子線(xian)圈)實(shi)驗(yan)小組中(zhong)仍然擔(dan)任著重要工作(zuo)。
歐(ou)洲核子(zi)研(yan)究中(zhong)心于2008年9月10日啟動大型強子(zi)對撞機(LHC)。這(zhe)個世界上(shang)最大的機器(qi),有望(wang)揭開宇(yu)宙起源的奧秘在(zai)內五大謎團。
過去(qu)幾十年(nian)來,物理(li)(li)學家不斷(duan)在細節上加(jia)深對(dui)(dui)構(gou)成(cheng)宇宙的(de)基本(ben)粒(li)(li)子(zi)及其交(jiao)互(hu)作(zuo)用的(de)了解。了解的(de)加(jia)深讓粒(li)(li)子(zi)物理(li)(li)學的(de)“標準模型(xing)”變得更為(wei)(wei)豐滿,但(dan)這個(ge)模型(xing)中仍存在縫隙,以(yi)至于我們無法繪制(zhi)一(yi)幅完(wan)整的(de)圖畫。為(wei)(wei)了幫助科學家揭示粒(li)(li)子(zi)物理(li)(li)學上這些關鍵性(xing)的(de)未解之謎,需要(yao)(yao)大量(liang)(liang)實(shi)驗數(shu)據支持(chi),大型(xing)強(qiang)子(zi)對(dui)(dui)撞(zhuang)機(ji)便擔負起(qi)“數(shu)據提(ti)供者”的(de)角色,這也(ye)是(shi)非常重要(yao)(yao)的(de)一(yi)個(ge)步驟(zou)。大型(xing)強(qiang)子(zi)對(dui)(dui)撞(zhuang)機(ji)能夠將兩束質(zhi)子(zi)加(jia)速到(dao)空前的(de)能量(liang)(liang)狀(zhuang)態(tai)而后發生相撞(zhuang),此(ci)時的(de)撞(zhuang)擊可能帶來意想(xiang)不到(dao)的(de)結果,絕對(dui)(dui)是(shi)任何(he)人都無法想(xiang)象的(de)。
牛頓(dun)未(wei)完成的工作——什么是質量?
質量的起源是(shi)什么(me)(me)?為什么(me)(me)微(wei)小粒(li)(li)子擁(yong)有(you)質量,而(er)其它一(yi)些粒(li)(li)子卻沒有(you)這種“待遇”?對于這些問(wen)題(ti),科(ke)學(xue)家到現在(zai)也沒有(you)找到一(yi)個確(que)切(qie)答案。最(zui)有(you)可能(neng)的解釋似乎可以(yi)在(zai)希(xi)格(ge)(ge)斯玻(bo)色子身上找到。希(xi)格(ge)(ge)斯玻(bo)色子是(shi)“標(biao)準模型”這一(yi)粒(li)(li)子物理學(xue)理論中最(zui)后一(yi)種尚未(wei)被發(fa)現的粒(li)(li)子,它的存在(zai)是(shi)整個“標(biao)準模型”的基石(shi)。早在(zai)1964年,蘇格(ge)(ge)蘭物理學(xue)家彼(bi)得·希(xi)格(ge)(ge)斯(Peter Higgs)便首次預(yu)言存在(zai)這種粒(li)(li)子,科(ke)學(xue)家多次通過這臺機(ji)器觀測到這種粒(li)(li)子。
ATLAS和CMS實驗將(jiang)積(ji)極尋找這種難(nan)于(yu)捉(zhuo)摸(mo)的(de)粒子存(cun)在跡象。
一個“看不(bu)見”的(de)問題——96%的(de)宇宙由什(shen)么(me)構成?
我們(men)在宇宙(zhou)(zhou)中看到的(de)(de)一切——從(cong)小螞(ma)蟻到巨大的(de)(de)星(xing)系——都(dou)是由普通粒(li)子(zi)構成(cheng)的(de)(de)。這(zhe)些粒(li)子(zi)被統稱為物(wu)質,它(ta)(ta)們(men)構成(cheng)了4%的(de)(de)宇宙(zhou)(zhou)。余下的(de)(de)部分據信由暗(an)物(wu)質——不發光(guang)的(de)(de)物(wu)質和(he)暗(an)能(neng)量構成(cheng),它(ta)(ta)們(men)對(dui)于整個宇宙(zhou)(zhou)的(de)(de)構成(cheng)與運行有著極(ji)其重要的(de)(de)作(zuo)用。對(dui)它(ta)(ta)們(men)進(jin)行探測和(he)研究(jiu)的(de)(de)難度(du)不可(ke)想象。研究(jiu)暗(an)物(wu)質和(he)暗(an)能(neng)量的(de)(de)性質是當今粒(li)子(zi)物(wu)理學(xue)和(he)宇宙(zhou)(zhou)學(xue)面臨的(de)(de)最大挑戰之(zhi)一。
ATLAS和CMS實驗(yan)將尋找超級對(dui)稱(cheng)的(de)粒(li)子(zi),用(yong)于驗(yan)證一種與暗物(wu)質構(gou)成有關的(de)假設。
大(da)自然的偏(pian)好——為什么找不(bu)到反(fan)物質?
我們生(sheng)(sheng)活在一(yi)個由(you)(you)物(wu)質(zhi)構成的世界,宇(yu)(yu)宙(zhou)萬(wan)物(wu)——包括我們人類在內都是由(you)(you)物(wu)質(zhi)構成的。反(fan)(fan)物(wu)質(zhi)就像(xiang)物(wu)質(zhi)的一(yi)個孿生(sheng)(sheng)兄弟(di),但它卻攜帶相反(fan)(fan)電荷。在宇(yu)(yu)宙(zhou)誕(dan)生(sheng)(sheng)時,“大爆炸”產生(sheng)(sheng)了相同數量的物(wu)質(zhi)和反(fan)(fan)物(wu)質(zhi)。然(ran)而,一(yi)旦這對孿生(sheng)(sheng)兄弟(di)碰面(mian),它們就會“同歸于盡”,并最終轉換成能量。不(bu)(bu)知何故,少量物(wu)質(zhi)幸(xing)存(cun)下來,并形成我們現在生(sheng)(sheng)活的宇(yu)(yu)宙(zhou),而它的孿生(sheng)(sheng)兄弟(di)反(fan)(fan)物(wu)質(zhi)卻幾乎消失得無影無蹤。為什(shen)么(me)大自然(ran)不(bu)(bu)能一(yi)碗水端平,平等對待這對孿生(sheng)(sheng)兄弟(di)呢?
LHCb實驗(yan)將尋(xun)找物(wu)質(zhi)與反物(wu)質(zhi)之間的差(cha)異,幫助解(jie)釋大自然為(wei)何如此(ci)偏向。此(ci)前的實驗(yan)已經觀察(cha)到兩者(zhe)之間的些(xie)許不同,但(dan)迄今為(wei)止的研究發現還不足(zu)以解(jie)釋宇宙中的物(wu)質(zhi)和暗物(wu)質(zhi)為(wei)何在數(shu)量上呈現出(chu)明(ming)顯的不均(jun)衡。
“大爆炸”的秘密——物質在宇宙誕(dan)生后的第一秒(miao)呈什么狀態?
構成宇(yu)宙萬(wan)物(wu)的(de)(de)(de)物(wu)質(zhi)據信來源于(yu)一系列密(mi)集而(er)熾熱的(de)(de)(de)基本粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。現在宇(yu)宙中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)普通物(wu)質(zhi)由(you)原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)構成,原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)擁有一個(ge)由(you)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)構成的(de)(de)(de)核子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi),質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)都(dou)是(shi)(shi)(shi)(shi)被稱之為“膠(jiao)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)”的(de)(de)(de)其它粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)束縛(fu)夸克(ke)形(xing)成的(de)(de)(de)。這種束縛(fu)非常強大,但在最初(chu)的(de)(de)(de)宇(yu)宙,由(you)于(yu)溫(wen)度極高加之能量巨大,膠(jiao)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)很難將夸克(ke)結合(he)在一起。也就(jiu)是(shi)(shi)(shi)(shi)說,這種束縛(fu)似乎是(shi)(shi)(shi)(shi)在“大爆炸”發生后的(de)(de)(de)最初(chu)幾(ji)微秒(miao)內形(xing)成的(de)(de)(de),此時的(de)(de)(de)宇(yu)宙擁有一個(ge)由(you)夸克(ke)和(he)膠(jiao)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)構成的(de)(de)(de)非常熾熱而(er)密(mi)集的(de)(de)(de)混合(he)物(wu),也就(jiu)是(shi)(shi)(shi)(shi)所說的(de)(de)(de)“夸克(ke)-膠(jiao)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)等離子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)體”。
ALICE實(shi)驗(yan)將利用大型強子對撞機模擬大爆(bao)炸發(fa)生后的原(yuan)始宇宙形(xing)態,分(fen)析夸克-膠子等離子體的性(xing)質。
隱藏的(de)世界——空間的(de)額外維度真(zhen)的(de)存在嗎?
根(gen)據愛(ai)因斯坦廣義相對論(lun),人類生存(cun)的三(san)維空(kong)間(jian)加上時間(jian)軸即構成所(suo)(suo)謂四維時空(kong)。后來的理論(lun)認為,可能(neng)存(cun)在(zai)擁(yong)有隱(yin)藏維度(du)(du)的空(kong)間(jian)。弦理論(lun)便暗示(shi)額(e)外(wai)的空(kong)間(jian)維度(du)(du)尚未被人類觀察到(dao),它們似(si)乎會(hui)在(zai)高能(neng)條件下顯現出來。基于(yu)這種(zhong)推測,科(ke)學家(jia)將對所(suo)(suo)有探測器獲(huo)得的數據進行仔細(xi)分析,以尋(xun)找額(e)外(wai)維度(du)(du)存(cun)在(zai)跡(ji)象(xiang)。
物理(li)學家希望(wang)借由加(jia)速器(qi)對撞機(ji)來幫助他們解答(da)下列(lie)的問(wen)題:
標準模型中所流行(xing)的造成(cheng)基本粒(li)子質(zhi)量(liang)的希(xi)格斯機制是真實的嗎?
真(zhen)是如(ru)此的話,希格(ge)斯粒子有多(duo)(duo)少種(zhong),質量(liang)又分(fen)別是多(duo)(duo)少呢?
當重子的(de)質量被更精確的(de)測量時,標(biao)準模型是否仍然成(cheng)立的(de)?
粒(li)子是否有相對應的超對稱(SUSY)粒(li)子存在?
為何物質與反物質是不對稱的?
有更高維度(du)的空間(jian)(Kaluza-Kleintheory,extradimensions)存在嗎(ma)?
我(wo)們(men)可(ke)以見到這啟發弦論的現象嗎?
宇宙有96%的質量是天文學(xue)上無法觀測到的,這些到底是什(shen)么(me)?
為何萬有(you)引力(li)比(bi)起(qi)其他三個基(ji)本作用(yong)力(li)(電磁力(li),強作用(yong)力(li),弱(ruo)作用(yong)力(li))差了這么多個數量級(ji)?
重離子對撞機
雖然(ran)LHC的(de)物(wu)理實(shi)驗(yan)計劃(hua),著重于研究質子對撞(zhuang)(zhuang)后的(de)現象。然(ran)而,短期(qi)的(de)如每年一個月的(de)重離子對撞(zhuang)(zhuang)也(ye)在(zai)實(shi)驗(yan)計劃(hua)之中(zhong)。雖然(ran)其(qi)他較輕(qing)的(de)離子對撞(zhuang)(zhuang)實(shi)驗(yan)也(ye)是可行(xing)的(de),主(zhu)要的(de)規劃(hua)為鉛離子的(de)對撞(zhuang)(zhuang)實(shi)驗(yan)。
世界上最大的機器
大(da)型(xing)(xing)強子對(dui)撞(zhuang)機的(de)(de)精確周(zhou)長是2.6659萬(wan)米,內部總共有(you)9300個(ge)磁體。大(da)型(xing)(xing)強子對(dui)撞(zhuang)機不僅是世界(jie)上(shang)(shang)最大(da)的(de)(de)粒子加(jia)速(su)器,而(er)且僅它(ta)的(de)(de)制冷(leng)分配系統(cryogenic distribution system)的(de)(de)八分之一,就稱得上(shang)(shang)是世界(jie)上(shang)(shang)最大(da)的(de)(de)制冷(leng)機。制冷(leng)分配系統在充滿近60噸液態(tai)氦,將(jiang)所有(you)磁體都(dou)冷(leng)卻到(dao)零下271.3℃(1.9開氏度(du))前,它(ta)將(jiang)先利用1.008萬(wan)噸液態(tai)氮將(jiang)這些磁體的(de)(de)溫度(du)降低到(dao)零下193.2℃。
世界上最快的跑道
功率達到最大(da)時(shi),數萬億個質(zhi)子將在大(da)型強子對撞(zhuang)(zhuang)機周圍的(de)(de)加速器環內(nei)以每秒(miao)1.1245萬次的(de)(de)頻率急速穿行(xing),它們的(de)(de)速度是(shi)光速的(de)(de)99.9999991%。兩束質(zhi)子束分(fen)別以70000億電子伏特的(de)(de)最大(da)功率相向而行(xing),在功率達到140000億電子伏特時(shi)發生(sheng)碰撞(zhuang)(zhuang)。每秒(miao)總(zong)共能發生(sheng)大(da)約6億次撞(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(zhe)些粒子束在像行(xing)(xing)星間的(de)(de)空(kong)間一樣空(kong)蕩的(de)(de)超真空(kong)環境(jing)中穿行(xing)(xing)。大型(xing)強子對撞機的(de)(de)內壓是10^(-13)(10的(de)(de)負13次方)個大氣壓,比月(yue)球上(shang)的(de)(de)壓力小10倍。
銀河系最熱點
大(da)(da)型(xing)強子(zi)對撞(zhuang)(zhuang)機(ji)是一(yi)個(ge)極(ji)熱(re)和極(ji)冷(leng)并存的機(ji)器(qi)。當兩(liang)束(shu)質子(zi)束(shu)相撞(zhuang)(zhuang)時,它們將在(zai)一(yi)個(ge)極(ji)小的空間內產(chan)生比(bi)太陽中心熱(re)10萬倍的高(gao)溫。與之(zhi)相比(bi),促使(shi)超流體氦在(zai)加(jia)速器(qi)環(huan)(huan)周圍循環(huan)(huan)的制冷(leng)分配系(xi)統,讓(rang)大(da)(da)型(xing)強子(zi)對撞(zhuang)(zhuang)機(ji)保持在(zai)零下271.3℃(1.9開氏度(du)(du))的超低(di)溫環(huan)(huan)境下,這(zhe)個(ge)溫度(du)(du)比(bi)外太空的溫度(du)(du)還低(di)。
史上最先進的探測器
為了抽樣檢查和(he)(he)記錄每秒多達6億次的(de)(de)質(zhi)子(zi)相(xiang)撞(zhuang)結果,物理學家(jia)和(he)(he)工(gong)程(cheng)師已(yi)經(jing)(jing)制造了測(ce)量粒(li)(li)子(zi)的(de)(de)精確度是微米(mi)的(de)(de)龐大(da)儀器(qi)。大(da)型(xing)強子(zi)對撞(zhuang)機的(de)(de)探(tan)測(ce)器(qi)擁有先進的(de)(de)電子(zi)觸(chu)發(fa)系(xi)統,它(ta)測(ce)量粒(li)(li)子(zi)經(jing)(jing)過時(shi)所用時(shi)間(jian)的(de)(de)精確度,大(da)約是十億分(fen)之(zhi)一(yi)秒。這(zhe)個(ge)(ge)觸(chu)發(fa)系(xi)統在確定粒(li)(li)子(zi)的(de)(de)位(wei)置時(shi),精確度可達百萬(wan)分(fen)之(zhi)一(yi)米(mi)。這(zhe)種令人難以置信的(de)(de)快(kuai)速(su)和(he)(he)精確反(fan)應,是確保一(yi)個(ge)(ge)探(tan)測(ce)器(qi)連續層內記錄的(de)(de)粒(li)(li)子(zi)保持一(yi)致的(de)(de)基(ji)礎。
世界最強大計算機系統
記錄大(da)型強(qiang)子(zi)(zi)對(dui)撞(zhuang)機進行(xing)的(de)每(mei)項(xiang)大(da)試驗的(de)數(shu)據,每(mei)年(nian)(nian)大(da)約足夠刻10億張雙(shuang)面DVD光(guang)盤。據估計(ji),大(da)型強(qiang)子(zi)(zi)對(dui)撞(zhuang)機的(de)壽(shou)命是15年(nian)(nian)。為了(le)讓世界各地的(de)數(shu)千名科學(xue)家在未來15年(nian)(nian)內通力(li)合作(zuo)(zuo),分析(xi)這些數(shu)據,分布在世界各地的(de)好幾(ji)萬臺電腦將利用一種被稱(cheng)作(zuo)(zuo)網格的(de)分散(san)式計(ji)算網(distributed computing network)實施(shi)研究工作(zuo)(zuo)。
世界各(ge)地的(de)數(shu)(shu)(shu)千(qian)名科(ke)學家都希望了解(jie)并分析(xi)這些數(shu)(shu)(shu)據。為了解(jie)決(jue)這個(ge)問題,目前歐(ou)洲粒子(zi)(zi)物理研(yan)究所(CERN)正(zheng)在建(jian)一個(ge)分散的(de)計算和數(shu)(shu)(shu)據儲(chu)存(cun)設施——大型(xing)強子(zi)(zi)對(dui)撞機計算網(wang)格(ge)(LCG)。大型(xing)強子(zi)(zi)對(dui)撞機實驗產生的(de)數(shu)(shu)(shu)據,將通過(guo)歐(ou)洲粒子(zi)(zi)物理研(yan)究所記錄在磁帶進(jin)行原始文(wen)件備份后(hou),再(zai)分發到世界各(ge)地。經(jing)過(guo)初始加工,這種數(shu)(shu)(shu)據將被傳送到可為大量數(shu)(shu)(shu)據提供(gong)充足儲(chu)存(cun)空間(jian)的(de)一系列大型(xing)計算機中(zhong)心,這些計算機中(zhong)心一天二十四小時不停地為大型(xing)強子(zi)(zi)對(dui)撞機計算網(wang)格(ge)提供(gong)服務。
中(zhong)(zhong)國臺(tai)(tai)灣(wan)也參與(yu)其中(zhong)(zhong),負責(ze)其中(zhong)(zhong)兩(liang)項(xiang)(xiang)重(zhong)要系統的(de)(de)研(yan)(yan)發,并處理(li)龐大實(shi)(shi)驗(yan)數(shu)據。亞(ya)洲(zhou)唯一的(de)(de)電(dian)腦中(zhong)(zhong)心就設在(zai)臺(tai)(tai)灣(wan)的(de)(de)中(zhong)(zhong)研(yan)(yan)院(yuan)。這次臺(tai)(tai)灣(wan)約有(you)40名科學家參與(yu)這項(xiang)(xiang)國際實(shi)(shi)驗(yan),負責(ze)世(shi)界上最大與(yu)最重(zhong)的(de)(de)偵(zhen)測器研(yan)(yan)發,而且處理(li)龐大實(shi)(shi)驗(yan)數(shu)據所(suo)倚賴的(de)(de)「網格電(dian)腦」就設在(zai)臺(tai)(tai)灣(wan)的(de)(de)中(zhong)(zhong)研(yan)(yan)院(yuan)。
經過這(zhe)(zhe)些(xie)計算(suan)(suan)機中(zhong)心的(de)(de)處理,其他設備就可使用這(zhe)(zhe)些(xie)數據(ju)了,其他的(de)(de)設備每個都有一個或幾個實(shi)施特(te)殊分析任務的(de)(de)聯合計算(suan)(suan)機中(zhong)心組成。當個科(ke)學(xue)家可通過大學(xue)部門(men)的(de)(de)局域網或個人(ren)電腦了解這(zhe)(zhe)些(xie)設備,這(zhe)(zhe)些(xie)人(ren)可能會(hui)經常查看大型強子(zi)對(dui)撞機計算(suan)(suan)網格。
2014年7月,中國北京高能(neng)物理研究所(suo)正在籌備一個兩(liang)倍于LHC的(de)環形粒子對撞機。
中(zhong)國將要修建的(de)對撞(zhuang)(zhuang)(zhuang)機周(zhou)長達(da)到了(le)52公(gong)里,對撞(zhuang)(zhuang)(zhuang)能量高達(da)70 TeV。按計劃,中(zhong)國的(de)對撞(zhuang)(zhuang)(zhuang)機將在初期(qi)階段只針對電子,且對撞(zhuang)(zhuang)(zhuang)能量僅有能量240 GeV,而后期(qi)則逐漸(jian)開(kai)足馬(ma)力進行質子對撞(zhuang)(zhuang)(zhuang)。
預(yu)計(ji)中國的對撞(zhuang)機將(jiang)在2028年投入使用,耗(hao)資30億美元,目前尚不清楚這(zhe)是否(fou)是一(yi)個與(yu)國外同行攜手進行的聯合項目。