建造過(guo)程和(he)探索微觀粒子的目的
大型強(qiang)子(zi)對撞器(qi),英(ying)文(wen)名稱為(wei)LHC(Large Hadron Collider)是一(yi)座位于瑞(rui)士日內瓦近郊歐洲核子(zi)研究組織(zhi)CERN的(de)粒子(zi)加(jia)速器(qi)與對撞機,作為(wei)國際(ji)高能物理(li)學(xue)研究之用(yong)。地理(li)坐標為(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(zi)對撞機將是世界上最(zui)大、能(neng)量(liang)最(zui)高的(de)(de)粒子(zi)加(jia)速(su)器(qi),來自(zi)大約80個國家(jia)的(de)(de)7000名科學家(jia)和工程師。由(you)40個國家(jia)建造。是一種(zhong)將質子(zi)加(jia)速(su)對撞的(de)(de)高能(neng)物理設備。它(ta)是一個圓形加(jia)速(su)器(qi),深埋(mai)于地(di)下100米,它(ta)的(de)(de)環狀隧道(dao)有 27 公(gong)里長,坐(zuo)落于在瑞(rui)士日(ri)內瓦的(de)(de)歐(ou)洲核子(zi)研究(jiu)中心(xin)(又名歐(ou)洲粒子(zi)物理實驗室),橫跨法國和瑞(rui)士的(de)(de)邊境。
為了(le)節省成本,物理學家(jia)們(men)沒有開鑿一(yi)(yi)(yi)條昂貴(gui)的(de)(de)(de)(de)新(xin)隧(sui)道來容(rong)納新(xin)的(de)(de)(de)(de)對(dui)撞(zhuang)(zhuang)機,而是(shi)決定拆(chai)掉原來安置在歐洲原子(zi)(zi)(zi)核(he)研究中心(xin)的(de)(de)(de)(de)正(zheng)負電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)加速器(qi),代之以建(jian)造(zao)大(da)型強(qiang)子(zi)(zi)(zi)對(dui)撞(zhuang)(zhuang)機所(suo)需要的(de)(de)(de)(de)5萬噸設備(bei)。當兩個(ge)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)束(shu)(shu)在環形(xing)隧(sui)道中沿(yan)著反(fan)方(fang)向運(yun)動的(de)(de)(de)(de)時(shi)候,強(qiang)大(da)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)場(chang)使(shi)它們(men)的(de)(de)(de)(de)能量急劇增加。這些(xie)粒(li)子(zi)(zi)(zi)每運(yun)行一(yi)(yi)(yi)圈,就會獲得更(geng)多的(de)(de)(de)(de)能量。要保持(chi)如此高能量的(de)(de)(de)(de)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)束(shu)(shu)繼續運(yun)行需要非常(chang)強(qiang)大(da)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)場(chang)。這么強(qiang)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)場(chang)是(shi)由冷卻到(dao)接近絕對(dui)零度的(de)(de)(de)(de)超導電(dian)(dian)磁(ci)體產生的(de)(de)(de)(de)。物理學家(jia)們(men)最希(xi)望(wang)建(jian)造(zao)的(de)(de)(de)(de)是(shi)一(yi)(yi)(yi)個(ge)30公里長的(de)(de)(de)(de)機器(qi),它能以至少5千億電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)伏的(de)(de)(de)(de)能量將電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)和正(zheng)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)一(yi)(yi)(yi)起(qi)粉(fen)碎。 目前;對(dui)撞(zhuang)(zhuang)機已(yi)經發(fa)現(xian)(xian)了(le)‘希(xi)格(ge)(ge)斯粒(li)子(zi)(zi)(zi)希(xi)格(ge)(ge)斯玻色子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)存在,升級后(hou)發(fa)現(xian)(xian)‘夸克奇異(yi)重子(zi)(zi)(zi)’五(wu)種夸克的(de)(de)(de)(de)‘味變’集合體存在,改造(zao)升級能量的(de)(de)(de)(de)加大(da)還(huan)會‘探索發(fa)現(xian)(xian)’超對(dui)稱粒(li)子(zi)(zi)(zi)和希(xi)格(ge)(ge)斯耦合粒(li)子(zi)(zi)(zi)與(yu)粒(li)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)額(e)外維相(xiang)存在。
LHC是一個(ge)國際(ji)合作(zuo)的計劃,由34個(ge)國家超(chao)過兩千(qian)位物理(li)學家所屬的大學與實驗室所共同出資(zi)合作(zuo)興(xing)建的。
LHC包含了一個圓周為27公里的(de)圓形(xing)隧(sui)道(dao),因當地(di)地(di)形(xing)的(de)緣(yuan)故位(wei)于(yu)地(di)下50至(zhi)150米之間。這是先(xian)前(qian)大型電子(zi)正子(zi)加速器(LEP)所使用(yong)隧(sui)道(dao)的(de)再利(li)用(yong),隧(sui)道(dao)本(ben)(ben)身直徑三米,位(wei)于(yu)同一平面(mian)上(shang),并貫穿瑞士與法(fa)國邊境,主(zhu)要的(de)部分(fen)大半位(wei)于(yu)法(fa)國。雖然隧(sui)道(dao)本(ben)(ben)身位(wei)于(yu)地(di)底下,尚有許(xu)多地(di)面(mian)設(she)施如(ru)冷(leng)(leng)卻壓縮機,通風設(she)備,控制(zhi)電機設(she)備,還有冷(leng)(leng)凍槽等(deng)等(deng)建構于(yu)其上(shang)。
加速器通道中,主(zhu)要是放置(zhi)兩個(ge)(ge)質子束管(guan)。加速管(guan)由超導磁鐵(tie)所包(bao)覆(fu),以(yi)液態氦(hai)來冷卻。管(guan)中的質子是以(yi)相(xiang)反的方向,環(huan)(huan)繞著整個(ge)(ge)環(huan)(huan)型加速器運(yun)行(xing)。除此之外,在四個(ge)(ge)實驗碰(peng)撞點附近,另有安裝其他的偏向磁鐵(tie)及聚焦磁鐵(tie)。
LHC加(jia)速環的(de)(de)四個(ge)碰撞點(dian),分別設(she)有五(wu)個(ge)偵(zhen)(zhen)測(ce)器(qi)在碰撞點(dian)的(de)(de)地穴中(zhong)。其中(zhong)超環面儀器(qi) (ATLAS)與緊(jin)湊渺子線(xian)圈(CMS)是(shi)通用(yong)型(xing)(xing)的(de)(de)粒子偵(zhen)(zhen)測(ce)器(qi)。其他(ta)三個(ge)(LHC底夸克偵(zhen)(zhen)測(ce)器(qi)(LHCb),大型(xing)(xing)離(li)子對撞器(qi)(ALICE)以及(ji)全截面彈性(xing)散(san)射(she)偵(zhen)(zhen)測(ce)器(qi)(TOTEM)則是(shi)較小型(xing)(xing)的(de)(de)特殊目(mu)標(biao)偵(zhen)(zhen)測(ce)器(qi)。
1994年,大型(xing)強子(zi)對撞機(ji)項(xiang)(xiang)目(mu)立項(xiang)(xiang)后,林(lin)恩·埃(ai)文斯理所當然地(di)(di)就成為了這個耗資百億美元的(de)(de)項(xiang)(xiang)目(mu)的(de)(de)負責人。對撞機(ji)從設計(ji)到建(jian)造,都由他(ta)全權(quan)負責。14年后,在瑞士和法國(guo)交(jiao)界(jie)地(di)(di)區地(di)(di)下(xia)100米深處的(de)(de)周長為27公里的(de)(de)環形隧道里,埃(ai)文斯和全球80多個國(guo)家(jia)近(jin)萬名科學家(jia)的(de)(de)心血結晶——大型(xing)強子(zi)對撞機(ji)正式建(jian)成。
在2005年10月25日,因為(wei)起重(zhong)機(ji)載貨(huo)的意外掉落(luo),造(zao)成一位技術人員的喪生。
2007年3月27日(ri),由費米(mi)實驗室所負責建造,一個(ge)用于(yu) LHC 內(nei)部的(de)三(san)極低(di)溫超導磁(ci)鐵(tie)(屬于(yu)聚焦用四極磁(ci)鐵(tie)),因為支撐架(jia)的(de)設計不良,在(zai)壓力測試時發(fa)生破損(sun)。雖然沒有造成人員(yuan)的(de)傷亡,但(dan)是(shi)卻嚴重影(ying)響了 LHC 開始運(yun)作的(de)時程。
2008年6月15日,在(zai)埃(ai)文斯的(de)退休(xiu)儀(yi)式上,這(zhe)6位(wei)主任紛紛親(qin)自(zi)出面或通過視頻向他致以敬(jing)意。他們(men)還聯合簽署了(le)一(yi)份文件,將大型(xing)強子對撞(zhuang)機(ji)以林恩·埃(ai)文斯的(de)名字命(ming)名,并制作了(le)一(yi)個對撞(zhuang)機(ji)偶極(ji)子的(de)小模(mo)型(xing)贈送給埃(ai)文斯。
2008年9月10日,對撞機初(chu)次啟動進行(xing)測(ce)(ce)試(shi)。埃文斯將手指(zhi)放(fang)在鼠標上,親(qin)自點擊啟動了(le)首次測(ce)(ce)試(shi)。這次測(ce)(ce)試(shi)是(shi)研(yan)究人員將一個質(zhi)子束以順時針方向注(zhu)入(ru)到加速(su)器中(zhong),讓其加速(su)到99.9998%光速(su)的(de)超快(kuai)速(su)度(du)(du),從而使此(ci)質(zhi)子束在全長(chang)27公里的(de)環形隧道中(zhong)以每秒11245圈的(de)速(su)度(du)(du)狂飆。這一幕通(tong)過網絡視頻(pin)向世界進行(xing)了(le)直播,還(huan)有300多名記(ji)者來到此(ci)實(shi)驗室(shi)目睹測(ce)(ce)試(shi)過程。
2008年9月(yue)19日(ri),LHC,第三(san)與第四段之間(jian),用(yong)來冷卻(que)超導(dao)磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)的(de)(de)液態氦,發生了嚴(yan)重的(de)(de)泄(xie)漏。據推測是由于聯(lian)接(jie)兩個超導(dao)磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)的(de)(de)接(jie)點接(jie)觸不(bu)良,在超導(dao)高電流的(de)(de)情況下融毀所造成的(de)(de)。依據CERN的(de)(de)安(an)全條例,必需將(jiang)磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)升(sheng)回到室(shi)溫(wen)后(hou)詳細檢(jian)查才能(neng)(neng)繼續運轉(zhuan),這將(jiang)需要三(san)到四周的(de)(de)時(shi)(shi)(shi)間(jian)。要再冷卻(que)回運作(zuo)溫(wen)度,也是得經過三(san)四周的(de)(de)時(shi)(shi)(shi)間(jian),如(ru)此正(zheng)好遇上(shang)預定的(de)(de)年度檢(jian)修時(shi)(shi)(shi)程,因(yin)此要開始運作(zuo)將(jiang)可能(neng)(neng)延遲至2009年春(chun)天。
2008年(nian)10月(yue)16日(ri),CERN發布(bu)了關(guan)于液態氦泄漏事件的(de)調查分析,證實(shi)(shi)了先前推測的(de)為(wei)兩超(chao)導磁鐵(tie)間接(jie)點不良所造成的(de)。由于安全條(tiao)例確實(shi)(shi)地(di)實(shi)(shi)行、安全設計皆有(you)正常工(gong)作、并且替換用(yong)的(de)零(ling)件都有(you)庫(ku)存,預期2009年(nian)6月(yue)重(zhong)啟。
2008年9月10日下午15:30正式開始運作,成為世界上最大的(de)粒子加速器設施。
2008年9月19日,LHC第(di)三與(yu)第(di)四段之(zhi)間,用來冷(leng)卻超導(dao)磁鐵的液(ye)態氦,發生了嚴重(zhong)的泄漏,導(dao)致對撞(zhuang)機暫停運(yun)轉。
自大(da)約80個(ge)國家的7000名(ming)科學(xue)家和工程師參與了該項(xiang)目。
60余名中國(guo)科(ke)學(xue)(xue)(xue)家(jia)(其中近(jin)四十人為臺灣(wan)科(ke)學(xue)(xue)(xue)家(jia))參(can)與(yu)(yu)強子(zi)對撞(zhuang)機實(shi)驗(yan)。四個主(zhu)要實(shi)驗(yan)均有中國(guo)科(ke)研單位和高(gao)校(xiao)參(can)與(yu)(yu),分別為:中科(ke)院高(gao)能物理研究所(suo)、中國(guo)科(ke)技大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)、山東大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)、南京大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)參(can)與(yu)(yu)ATLAS實(shi)驗(yan);中科(ke)院高(gao)能物理研究所(suo)、北京大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)參(can)與(yu)(yu)CMS實(shi)驗(yan);華中師(shi)范大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)參(can)與(yu)(yu)ALICE實(shi)驗(yan);清(qing)華大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)參(can)與(yu)(yu)LHCb實(shi)驗(yan)。
大型強子(zi)對撞機(LHC)是歐洲(zhou)粒子(zi)物理研究所(CERN)的加速器復合體(ti)的最(zui)新補(bu)充。
在這(zhe)(zhe)(zhe)個(ge)加速器里面,2束(shu)高(gao)能(neng)粒子(zi)流(liu)在彼(bi)此相撞之(zhi)前,以接近光速的(de)(de)速度(du)(du)向(xiang)前傳(chuan)播(bo)。這(zhe)(zhe)(zhe)兩(liang)束(shu)粒子(zi)流(liu)分別通(tong)過(guo)不同(tong)光束(shu)管,向(xiang)相反方向(xiang)傳(chuan)播(bo),這(zhe)(zhe)(zhe)兩(liang)根管子(zi)都處于超(chao)高(gao)真空(kong)狀態(tai)。一個(ge)強(qiang)(qiang)磁(ci)(ci)場(chang)促使它(ta)們圍繞那(nei)個(ge)加速環運(yun)行,這(zhe)(zhe)(zhe)個(ge)強(qiang)(qiang)磁(ci)(ci)場(chang)是(shi)利用超(chao)導(dao)電(dian)(dian)磁(ci)(ci)石獲得的(de)(de)。這(zhe)(zhe)(zhe)些超(chao)導(dao)電(dian)(dian)磁(ci)(ci)石是(shi)利用特殊電(dian)(dian)纜線制成的(de)(de),它(ta)們在超(chao)導(dao)狀態(tai)下(xia)進行操作(zuo),有效傳(chuan)導(dao)電(dian)(dian)流(liu),沒(mei)有電(dian)(dian)阻(zu)消(xiao)耗或能(neng)量損失。要(yao)達到這(zhe)(zhe)(zhe)種結果,大(da)約需要(yao)將磁(ci)(ci)體冷卻(que)到零下(xia)271℃,這(zhe)(zhe)(zhe)個(ge)溫度(du)(du)比外太空(kong)的(de)(de)溫度(du)(du)還(huan)低。由于這(zhe)(zhe)(zhe)個(ge)原(yuan)因,大(da)部分加速器都與(yu)一個(ge)液態(tai)氦分流(liu)系統(tong)和其他設備相連(lian),這(zhe)(zhe)(zhe)個(ge)液態(tai)氦分流(liu)系統(tong)是(shi)用來冷卻(que)磁(ci)(ci)體的(de)(de)。
大型強子(zi)(zi)對(dui)撞機利用數千個種(zhong)類不(bu)同,型號各異的(de)磁體,給該加(jia)(jia)速器周圍(wei)的(de)粒子(zi)(zi)束(shu)指引方向(xiang)。這些磁體中包(bao)括15米(mi)長的(de)1232雙(shuang)極磁體和(he)392四(si)極磁體,1232雙(shuang)極磁體被用來(lai)彎曲粒子(zi)(zi)束(shu),392四(si)極磁體每(mei)個都有(you)5到7米(mi)長,它們(men)被用來(lai)集中粒子(zi)(zi)流。在碰撞之前,大型強子(zi)(zi)對(dui)撞機利用另一種(zhong)類型的(de)磁體“擠(ji)壓”粒子(zi)(zi),讓它們(men)彼此(ci)靠(kao)的(de)更近,以增(zeng)加(jia)(jia)它們(men)成功相(xiang)撞的(de)機會。這些粒子(zi)(zi)非常(chang)小,讓它們(men)相(xiang)撞,就如(ru)同讓從(cong)相(xiang)距(ju)10公(gong)里的(de)兩地發射出(chu)來(lai)的(de)兩根(gen)針相(xiang)撞一樣(yang)。
這(zhe)個(ge)(ge)加速(su)器(qi)、它的(de)儀器(qi)和(he)技術(shu)方面的(de)基礎(chu)設施(shi)的(de)操作(zuo)器(qi),都(dou)安裝在歐洲粒子物理研(yan)究所(suo)控制中心的(de)同一座建(jian)筑(zhu)內。在這(zhe)里(li),大型(xing)強子對(dui)撞(zhuang)機內的(de)粒子流(liu)將在加速(su)器(qi)環周圍的(de)4個(ge)(ge)區域相撞(zhuang),這(zhe)4個(ge)(ge)區域與粒子探測器(qi)的(de)位(wei)置相對(dui)應(ying)。
兩個對(dui)撞加(jia)速管(guan)中(zhong)的(de)(de)質子(zi)(zi),各具有的(de)(de)能(neng)量(liang)為(wei)(wei) 7 TeV (兆(zhao)兆(zhao)電子(zi)(zi)伏特(te)(te)),總撞擊能(neng)量(liang)達(da) 14 TeV之譜。每個質子(zi)(zi)環繞整個儲(chu)存環的(de)(de)時間為(wei)(wei) 89 微秒(miao)(microsecond)。因(yin)為(wei)(wei)同步加(jia)速器(qi)的(de)(de)特(te)(te)性,加(jia)速管(guan)中(zhong)的(de)(de)粒(li)(li)(li)子(zi)(zi)是(shi)以粒(li)(li)(li)子(zi)(zi)團(bunch)的(de)(de)形式(shi),而(er)非(fei)連續(xu)的(de)(de)粒(li)(li)(li)子(zi)(zi)流。整個儲(chu)存環將會(hui)有2800個粒(li)(li)(li)子(zi)(zi)團,最(zui)短(duan)碰撞周(zhou)期為(wei)(wei) 25 納(na)秒(miao)(nanosecond)。在加(jia)速器(qi)開始運作的(de)(de)初期,將會(hui)以軌道中(zhong)放入較少的(de)(de)粒(li)(li)(li)子(zi)(zi)團的(de)(de)方(fang)式(shi)運作,碰撞周(zhou)期為(wei)(wei) 75 納(na)秒(miao),再逐步提(ti)升(sheng)到(dao)設計目標。
在粒子(zi)(zi)(zi)入射(she)到主加(jia)速(su)環之前,會先經過一(yi)系列加(jia)速(su)設施,逐級提(ti)(ti)升能量(liang)。其中,由兩個(ge)直線加(jia)速(su)器(qi)所構成的質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)同(tong)步加(jia)速(su)器(qi) (PS)將產生(sheng)50 MeV的能量(liang),接著質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)同(tong)步推進器(qi) (PSB)提(ti)(ti)升能量(liang)到1.4GeV。而質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)同(tong)步加(jia)速(su)環可(ke)達到26 GeV的能量(liang)。低(di)能量(liang)入射(she)環(LEIR)為一(yi)離子(zi)(zi)(zi)儲(chu)存與冷(leng)卻(que)的裝置。反物質(zhi)(zhi)減速(su)器(qi) (AD)可(ke)以將3.57 GeV的反質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi),減速(su)到2 GeV。最后超級質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)同(tong)步加(jia)速(su)器(qi)(SPS)可(ke)提(ti)(ti)升質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)(zi)的能量(liang)到450 GeV。
LHC也可以用來加速(su)對(dui)撞(zhuang)重(zhong)離(li)子(zi),例如鉛(Pb)離(li)子(zi)可加速(su)到1150 TeV。由于LHC有著對(dui)工(gong)程技術上極(ji)端的(de)挑戰(zhan),安全上的(de)確保(bao)是極(ji)其重(zhong)要的(de)。當(dang)LHC開始(shi)運作時,磁鐵(tie)中的(de)總(zong)能量(liang)高(gao)達(da)100億焦耳(GJ),而粒(li)子(zi)束中的(de)總(zong)能量(liang)也高(gao)達(da)725百(bai)萬焦耳(MJ)。只需要10?7總(zong)粒(li)子(zi)能量(liang)便(bian)可以使超(chao)導(dao)磁鐵(tie)脫離(li)超(chao)導(dao)態,而丟棄全部的(de)加速(su)粒(li)子(zi)可相(xiang)當(dang)于一個(ge)小型的(de)爆炸。
林恩·埃文斯(Lyn Evans),歐洲(zhou)大型強子(zi)對撞機(ji)的(de)領導者。是威爾士一位(wei)礦工(gong)的(de)兒子(zi),在阿布(bu)戴爾(Aberdare)中學時就對科學萌發了興趣,獲得了英(ying)國斯旺(wang)西大學的(de)物(wu)理學博士學位(wei)。
1969年,他花(hua)3個月時間訪問(wen)了歐洲核(he)子物(wu)理研究組織(CERN)項目。從此,他和(he)妻子以及(ji)家人(ren)就定居在(zai)這里。65歲的(de)威爾士人(ren)林恩(en)·埃文(wen)斯大(da)概可(ke)以算得上是這個世(shi)界上對“爆(bao)炸(zha)”最執著的(de)人(ren)了。從小就愛用(yong)各種化學物(wu)質搗鼓點小爆(bao)炸(zha)的(de)他,長大(da)后又對宇宙大(da)爆(bao)炸(zha)產生了興(xing)趣。
為(wei)了模擬宇宙(zhou)大(da)(da)爆炸,解開(kai)宇宙(zhou)之謎,他一(yi)手“策劃”了堪(kan)稱世(shi)界上最(zui)大(da)(da)科學實(shi)驗的歐洲大(da)(da)型(xing)強子對撞(zhuang)機(LHC)項目(mu)。從設計,建造(zao),到(dao)實(shi)驗,埃文(wen)斯已(yi)經(jing)一(yi)路伴隨這個(ge)項目(mu)走過了近16個(ge)年頭。5個(ge)月前(qian)正式從歐洲核子研究中(zhong)心(xin)(CERN)退休后,埃文(wen)斯漸(jian)漸(jian)放慢了工(gong)作(zuo)節奏(zou),但他依(yi)然沒有離開(kai)LHC項目(mu)。盡(jin)管不再擔(dan)(dan)任項目(mu)負責人,他在CMS(緊湊繆(mou)子線圈)實(shi)驗小組中(zhong)仍然擔(dan)(dan)任著重要工(gong)作(zuo)。
歐洲核子研究中(zhong)心于(yu)2008年9月10日啟(qi)動大(da)型強子對撞機(LHC)。這個世界上最(zui)大(da)的機器,有(you)望揭開宇(yu)宙(zhou)起源的奧秘在內五大(da)謎團。
過去幾十年來(lai)(lai),物理(li)學家(jia)不(bu)斷在細節上(shang)加(jia)深對(dui)構成(cheng)宇(yu)宙的(de)基本粒(li)子及(ji)其(qi)交互作(zuo)用的(de)了(le)(le)解。了(le)(le)解的(de)加(jia)深讓粒(li)子物理(li)學的(de)“標準模(mo)型(xing)”變得(de)更為(wei)豐滿,但(dan)這(zhe)個模(mo)型(xing)中(zhong)仍存在縫隙,以(yi)至于我們無法繪制一幅完整的(de)圖畫。為(wei)了(le)(le)幫助科學家(jia)揭示粒(li)子物理(li)學上(shang)這(zhe)些關鍵性的(de)未(wei)解之謎(mi),需要大量實驗數據支持,大型(xing)強(qiang)子對(dui)撞(zhuang)(zhuang)機便擔負起(qi)“數據提供(gong)者”的(de)角色(se),這(zhe)也(ye)是(shi)非常重要的(de)一個步驟。大型(xing)強(qiang)子對(dui)撞(zhuang)(zhuang)機能(neng)夠(gou)將兩束質子加(jia)速到空前的(de)能(neng)量狀態而后(hou)發生相撞(zhuang)(zhuang),此(ci)時的(de)撞(zhuang)(zhuang)擊可能(neng)帶來(lai)(lai)意想不(bu)到的(de)結果,絕(jue)對(dui)是(shi)任(ren)何人都無法想象的(de)。
牛(niu)頓未完成的(de)工作(zuo)——什么是質(zhi)量?
質(zhi)量的(de)起源(yuan)是什(shen)么?為什(shen)么微(wei)小(xiao)粒(li)子擁有(you)質(zhi)量,而其它一(yi)些粒(li)子卻沒有(you)這(zhe)(zhe)種“待遇(yu)”?對于這(zhe)(zhe)些問題,科學家到現(xian)在也沒有(you)找到一(yi)個確切答案。最有(you)可(ke)能的(de)解(jie)釋似乎可(ke)以(yi)在希格(ge)(ge)斯(si)玻色(se)子身上(shang)找到。希格(ge)(ge)斯(si)玻色(se)子是“標準(zhun)模型”這(zhe)(zhe)一(yi)粒(li)子物理(li)學理(li)論中(zhong)最后一(yi)種尚未被發現(xian)的(de)粒(li)子,它的(de)存(cun)在是整(zheng)個“標準(zhun)模型”的(de)基石。早在1964年,蘇格(ge)(ge)蘭物理(li)學家彼得·希格(ge)(ge)斯(si)(Peter Higgs)便首(shou)次預(yu)言存(cun)在這(zhe)(zhe)種粒(li)子,科學家多(duo)次通過這(zhe)(zhe)臺機(ji)器觀測到這(zhe)(zhe)種粒(li)子。
ATLAS和(he)CMS實驗將積(ji)極尋找(zhao)這種難于捉(zhuo)摸的粒子存在跡象。
一個“看不見”的(de)問題(ti)——96%的(de)宇宙由什么構成?
我們在宇(yu)宙(zhou)中看到(dao)的(de)一切(qie)——從小螞蟻到(dao)巨大的(de)星系——都是由(you)普通(tong)粒(li)(li)子(zi)構(gou)成(cheng)(cheng)的(de)。這些粒(li)(li)子(zi)被(bei)統稱為(wei)物(wu)(wu)質(zhi),它們構(gou)成(cheng)(cheng)了(le)4%的(de)宇(yu)宙(zhou)。余(yu)下的(de)部分(fen)據(ju)信由(you)暗物(wu)(wu)質(zhi)——不(bu)發光的(de)物(wu)(wu)質(zhi)和暗能量(liang)構(gou)成(cheng)(cheng),它們對(dui)于(yu)整個宇(yu)宙(zhou)的(de)構(gou)成(cheng)(cheng)與運(yun)行(xing)有著極其(qi)重要(yao)的(de)作用。對(dui)它們進行(xing)探測和研究(jiu)的(de)難度不(bu)可(ke)想(xiang)象。研究(jiu)暗物(wu)(wu)質(zhi)和暗能量(liang)的(de)性質(zhi)是當今粒(li)(li)子(zi)物(wu)(wu)理學(xue)和宇(yu)宙(zhou)學(xue)面臨(lin)的(de)最大挑(tiao)戰之一。
ATLAS和CMS實驗(yan)將尋找超級(ji)對稱的粒子,用于驗(yan)證(zheng)一(yi)種與暗物(wu)質構成有關的假設。
大自(zi)然(ran)的偏好——為什么(me)找不(bu)到反(fan)物質?
我(wo)們(men)生活在一個(ge)由物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)構成(cheng)(cheng)的(de)(de)世(shi)界,宇(yu)宙(zhou)萬物(wu)(wu)(wu)——包括我(wo)們(men)人類在內都是(shi)由物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)構成(cheng)(cheng)的(de)(de)。反(fan)(fan)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)就像物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)的(de)(de)一個(ge)孿(luan)生兄弟(di)(di)(di),但它(ta)(ta)卻(que)攜帶(dai)相反(fan)(fan)電荷(he)。在宇(yu)宙(zhou)誕(dan)生時,“大(da)爆炸”產生了相同(tong)數量(liang)的(de)(de)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)和反(fan)(fan)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)。然而,一旦(dan)這對孿(luan)生兄弟(di)(di)(di)碰面,它(ta)(ta)們(men)就會“同(tong)歸于盡”,并最終轉(zhuan)換(huan)成(cheng)(cheng)能量(liang)。不(bu)知何(he)故,少(shao)量(liang)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)幸存下來,并形成(cheng)(cheng)我(wo)們(men)現在生活的(de)(de)宇(yu)宙(zhou),而它(ta)(ta)的(de)(de)孿(luan)生兄弟(di)(di)(di)反(fan)(fan)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)卻(que)幾乎消(xiao)失(shi)得無影無蹤。為(wei)什么大(da)自然不(bu)能一碗水端平,平等對待這對孿(luan)生兄弟(di)(di)(di)呢?
LHCb實驗將(jiang)尋(xun)找物(wu)質與反物(wu)質之(zhi)間(jian)的(de)差異,幫(bang)助解釋大自然為(wei)何(he)如此(ci)偏向。此(ci)前的(de)實驗已經觀察(cha)到兩者(zhe)之(zhi)間(jian)的(de)些許不(bu)(bu)同(tong),但(dan)迄(qi)今(jin)為(wei)止的(de)研究發現(xian)還不(bu)(bu)足(zu)以解釋宇宙中(zhong)的(de)物(wu)質和暗(an)物(wu)質為(wei)何(he)在(zai)數量上呈現(xian)出明顯的(de)不(bu)(bu)均(jun)衡。
“大爆炸”的(de)秘密——物(wu)質在宇宙誕生后的(de)第一(yi)秒呈什(shen)么狀態?
構成(cheng)(cheng)宇(yu)(yu)宙(zhou)萬物(wu)(wu)的(de)(de)(de)物(wu)(wu)質(zhi)據(ju)信來源于一系列密(mi)集而熾熱(re)的(de)(de)(de)基本粒(li)子(zi)(zi)(zi)。現在(zai)宇(yu)(yu)宙(zhou)中(zhong)的(de)(de)(de)普通物(wu)(wu)質(zhi)由(you)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)構成(cheng)(cheng),原(yuan)子(zi)(zi)(zi)擁有(you)一個(ge)由(you)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)和中(zhong)子(zi)(zi)(zi)構成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)核子(zi)(zi)(zi),質(zhi)子(zi)(zi)(zi)和中(zhong)子(zi)(zi)(zi)都(dou)是被稱之為(wei)“膠子(zi)(zi)(zi)”的(de)(de)(de)其(qi)它粒(li)子(zi)(zi)(zi)束縛夸克(ke)形成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)。這種(zhong)束縛非常(chang)強大(da),但在(zai)最初的(de)(de)(de)宇(yu)(yu)宙(zhou),由(you)于溫(wen)度(du)極高(gao)加之能量(liang)巨大(da),膠子(zi)(zi)(zi)很難(nan)將夸克(ke)結(jie)合在(zai)一起。也(ye)(ye)就是說(shuo)(shuo),這種(zhong)束縛似乎是在(zai)“大(da)爆炸”發生后的(de)(de)(de)最初幾微(wei)秒內(nei)形成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de),此時的(de)(de)(de)宇(yu)(yu)宙(zhou)擁有(you)一個(ge)由(you)夸克(ke)和膠子(zi)(zi)(zi)構成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)非常(chang)熾熱(re)而密(mi)集的(de)(de)(de)混合物(wu)(wu),也(ye)(ye)就是所說(shuo)(shuo)的(de)(de)(de)“夸克(ke)-膠子(zi)(zi)(zi)等(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)體”。
ALICE實驗將(jiang)利(li)用大(da)型(xing)強(qiang)子(zi)對撞機模擬大(da)爆炸發生后的(de)原始宇宙(zhou)形態,分析(xi)夸克(ke)-膠子(zi)等離子(zi)體的(de)性質。
隱藏的世界——空間的額(e)外維(wei)度真的存在(zai)嗎?
根據愛因(yin)斯坦(tan)廣(guang)義相對論,人(ren)類生存(cun)的(de)(de)三(san)維空(kong)(kong)間(jian)(jian)加上時間(jian)(jian)軸即構成所謂四維時空(kong)(kong)。后來的(de)(de)理論認為,可能存(cun)在(zai)擁有(you)隱藏(zang)維度(du)的(de)(de)空(kong)(kong)間(jian)(jian)。弦(xian)理論便暗(an)示額外的(de)(de)空(kong)(kong)間(jian)(jian)維度(du)尚未被(bei)人(ren)類觀察到(dao),它們似乎會在(zai)高能條(tiao)件(jian)下顯現出來。基于這種推(tui)測,科學家將對所有(you)探測器獲得的(de)(de)數據進行仔細(xi)分(fen)析,以尋找額外維度(du)存(cun)在(zai)跡象。
物(wu)理學家希望借(jie)由加(jia)速器對撞(zhuang)機來(lai)幫助(zhu)他們解答下(xia)列的(de)問題:
標(biao)準模型中所(suo)流行(xing)的(de)造成(cheng)基(ji)本粒子質量的(de)希(xi)格斯機制是(shi)真實的(de)嗎?
真是(shi)(shi)如(ru)此的話,希格斯粒子有多(duo)少(shao)(shao)種,質量又分別(bie)是(shi)(shi)多(duo)少(shao)(shao)呢?
當重(zhong)子的質量被更精確的測量時,標準(zhun)模型(xing)是否仍然成(cheng)立(li)的?
粒(li)子是(shi)否有相對應的超對稱(SUSY)粒(li)子存在?
為何物(wu)質與反物(wu)質是不對(dui)稱的?
有更(geng)高(gao)維度的空(kong)間(Kaluza-Kleintheory,extradimensions)存(cun)在嗎(ma)?
我們可以見到這(zhe)啟發弦論的現象(xiang)嗎?
宇宙有96%的質量是(shi)天文(wen)學上無(wu)法觀測到(dao)的,這些到(dao)底是(shi)什(shen)么?
為(wei)何萬有引力比(bi)起其他三(san)個基(ji)本作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)力(電磁力,強(qiang)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)力,弱作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)力)差了這么多個數量級(ji)?
重離子對撞機
雖然LHC的(de)(de)(de)物理實驗(yan)(yan)計劃,著重(zhong)于研(yan)究質(zhi)子(zi)(zi)對(dui)撞后(hou)的(de)(de)(de)現象(xiang)。然而,短期(qi)的(de)(de)(de)如(ru)每年(nian)一個月的(de)(de)(de)重(zhong)離子(zi)(zi)對(dui)撞也(ye)在實驗(yan)(yan)計劃之中。雖然其他較輕的(de)(de)(de)離子(zi)(zi)對(dui)撞實驗(yan)(yan)也(ye)是(shi)可行的(de)(de)(de),主要的(de)(de)(de)規劃為鉛離子(zi)(zi)的(de)(de)(de)對(dui)撞實驗(yan)(yan)。
世界上最大的機器
大(da)型強子對(dui)撞(zhuang)機的(de)(de)(de)精確周(zhou)長是2.6659萬米,內部總共(gong)有9300個磁(ci)體。大(da)型強子對(dui)撞(zhuang)機不(bu)僅(jin)是世(shi)界(jie)(jie)上(shang)最(zui)大(da)的(de)(de)(de)粒子加速器,而且僅(jin)它的(de)(de)(de)制(zhi)冷分配系統(tong)(cryogenic distribution system)的(de)(de)(de)八分之(zhi)一(yi),就稱得上(shang)是世(shi)界(jie)(jie)上(shang)最(zui)大(da)的(de)(de)(de)制(zhi)冷機。制(zhi)冷分配系統(tong)在充滿(man)近60噸液(ye)態氦,將(jiang)所有磁(ci)體都(dou)冷卻(que)到零(ling)下271.3℃(1.9開氏度)前(qian),它將(jiang)先利用1.008萬噸液(ye)態氮將(jiang)這些磁(ci)體的(de)(de)(de)溫度降(jiang)低到零(ling)下193.2℃。
世界上最快的跑道
功(gong)率達到最(zui)大(da)(da)時(shi),數萬億個質子將在大(da)(da)型(xing)強子對(dui)撞機周圍的(de)(de)加速(su)(su)器環(huan)內以每秒1.1245萬次的(de)(de)頻率急速(su)(su)穿(chuan)行(xing),它們(men)的(de)(de)速(su)(su)度是(shi)光速(su)(su)的(de)(de)99.9999991%。兩束(shu)質子束(shu)分別以70000億電(dian)(dian)子伏特(te)(te)的(de)(de)最(zui)大(da)(da)功(gong)率相向而行(xing),在功(gong)率達到140000億電(dian)(dian)子伏特(te)(te)時(shi)發(fa)生(sheng)碰撞。每秒總共能發(fa)生(sheng)大(da)(da)約6億次撞擊。
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(xie)粒子(zi)(zi)束在(zai)像行(xing)星(xing)間的(de)(de)空間一(yi)樣空蕩的(de)(de)超真(zhen)空環(huan)境(jing)中穿行(xing)。大型強子(zi)(zi)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)球上的(de)(de)壓力小10倍。
銀河系最熱點
大型強(qiang)子對撞機是一個(ge)極(ji)(ji)熱和極(ji)(ji)冷并存的機器。當(dang)兩束(shu)質(zhi)子束(shu)相撞時,它(ta)們將(jiang)在(zai)一個(ge)極(ji)(ji)小(xiao)的空間內產生比(bi)太(tai)陽(yang)中心(xin)熱10萬倍的高溫(wen)。與之相比(bi),促(cu)使超流(liu)體氦(hai)在(zai)加速器環周(zhou)圍循環的制冷分配系(xi)統,讓大型強(qiang)子對撞機保持在(zai)零(ling)下271.3℃(1.9開氏度)的超低溫(wen)環境下,這個(ge)溫(wen)度比(bi)外太(tai)空的溫(wen)度還低。
史上最先進的探測器
為了抽(chou)樣檢查和記錄每秒多達(da)6億次的(de)(de)質子(zi)(zi)相撞結果(guo),物理學家和工程(cheng)師已經制造了測(ce)(ce)量粒子(zi)(zi)的(de)(de)精確(que)度是微米(mi)的(de)(de)龐大(da)儀器(qi)。大(da)型強子(zi)(zi)對撞機的(de)(de)探測(ce)(ce)器(qi)擁有先進的(de)(de)電子(zi)(zi)觸發系統,它測(ce)(ce)量粒子(zi)(zi)經過時所用時間的(de)(de)精確(que)度,大(da)約是十億分(fen)之一秒。這(zhe)個觸發系統在確(que)定粒子(zi)(zi)的(de)(de)位置時,精確(que)度可達(da)百(bai)萬分(fen)之一米(mi)。這(zhe)種(zhong)令人(ren)難以置信的(de)(de)快速和精確(que)反應,是確(que)保一個探測(ce)(ce)器(qi)連續層內記錄的(de)(de)粒子(zi)(zi)保持一致(zhi)的(de)(de)基(ji)礎。
世界最強大計算機系統
記錄大型強子對(dui)撞(zhuang)機(ji)進行的(de)每項大試驗的(de)數(shu)據(ju),每年大約足夠刻10億張雙面(mian)DVD光盤。據(ju)估計(ji),大型強子對(dui)撞(zhuang)機(ji)的(de)壽命是15年。為了讓世界各(ge)地的(de)數(shu)千名科學家在(zai)未來15年內通力合作,分(fen)析這些數(shu)據(ju),分(fen)布在(zai)世界各(ge)地的(de)好幾(ji)萬臺電腦將(jiang)利(li)用一種被稱作網格的(de)分(fen)散式計(ji)算(suan)網(distributed computing network)實施(shi)研究(jiu)工作。
世界各地(di)(di)的(de)數(shu)(shu)(shu)千名科(ke)學(xue)家都希望了解并分析這(zhe)些(xie)數(shu)(shu)(shu)據(ju)。為了解決這(zhe)個問題,目前歐(ou)洲粒(li)子(zi)(zi)物(wu)理研究(jiu)所(CERN)正在(zai)建一(yi)個分散(san)的(de)計算(suan)和數(shu)(shu)(shu)據(ju)儲存設施——大(da)型(xing)強子(zi)(zi)對撞機(ji)計算(suan)網(wang)(wang)格(LCG)。大(da)型(xing)強子(zi)(zi)對撞機(ji)實(shi)驗產生(sheng)的(de)數(shu)(shu)(shu)據(ju),將通過(guo)歐(ou)洲粒(li)子(zi)(zi)物(wu)理研究(jiu)所記錄在(zai)磁(ci)帶進行原始文(wen)件備份后(hou),再分發到世界各地(di)(di)。經過(guo)初始加工,這(zhe)種數(shu)(shu)(shu)據(ju)將被傳送到可為大(da)量數(shu)(shu)(shu)據(ju)提供充足儲存空間的(de)一(yi)系(xi)列大(da)型(xing)計算(suan)機(ji)中心,這(zhe)些(xie)計算(suan)機(ji)中心一(yi)天二(er)十四小時(shi)不停地(di)(di)為大(da)型(xing)強子(zi)(zi)對撞機(ji)計算(suan)網(wang)(wang)格提供服務(wu)。
中國臺灣也參與其(qi)中,負責其(qi)中兩項(xiang)重要系(xi)統的(de)研(yan)發,并處理(li)龐(pang)大(da)實驗數據。亞洲唯一(yi)的(de)電(dian)(dian)腦中心就(jiu)設在臺灣的(de)中研(yan)院。這次臺灣約有40名科學家參與這項(xiang)國際實驗,負責世界上(shang)最大(da)與最重的(de)偵測器(qi)研(yan)發,而(er)且處理(li)龐(pang)大(da)實驗數據所倚賴的(de)「網格(ge)電(dian)(dian)腦」就(jiu)設在臺灣的(de)中研(yan)院。
經過(guo)這(zhe)些(xie)(xie)(xie)計算機(ji)中心的(de)處理(li),其(qi)他設備(bei)就可(ke)使用(yong)這(zhe)些(xie)(xie)(xie)數據了,其(qi)他的(de)設備(bei)每個都有一個或(huo)幾個實(shi)施(shi)特(te)殊分析任務的(de)聯合計算機(ji)中心組(zu)成。當(dang)個科學家(jia)可(ke)通(tong)過(guo)大(da)學部門的(de)局域網或(huo)個人電腦了解這(zhe)些(xie)(xie)(xie)設備(bei),這(zhe)些(xie)(xie)(xie)人可(ke)能會經常查看(kan)大(da)型強(qiang)子對撞機(ji)計算網格。
2014年7月,中國北京高能物理研究所(suo)正在(zai)籌備(bei)一個(ge)兩(liang)倍于LHC的環形(xing)粒子(zi)對撞機。
中(zhong)國將要(yao)修建的對撞(zhuang)機(ji)周(zhou)長達到了52公里(li),對撞(zhuang)能量高達70 TeV。按計(ji)劃(hua),中(zhong)國的對撞(zhuang)機(ji)將在初期(qi)階段(duan)只針對電子,且(qie)對撞(zhuang)能量僅有(you)能量240 GeV,而(er)后(hou)期(qi)則逐漸開(kai)足馬力進(jin)行(xing)質子對撞(zhuang)。
預計中國(guo)的對撞(zhuang)機將在(zai)2028年(nian)投入使用,耗資30億美元,目(mu)前(qian)尚不清(qing)楚這(zhe)是否(fou)是一個與(yu)國(guo)外同行攜手進(jin)行的聯合項(xiang)目(mu)。