建造過(guo)程(cheng)和(he)探索微觀(guan)粒(li)子(zi)的目的
大(da)型強子對撞器,英(ying)文名稱為LHC(Large Hadron Collider)是一(yi)座位于瑞(rui)士(shi)日內瓦近郊歐洲核子研究(jiu)組織CERN的(de)粒子加速器與對撞機,作為國(guo)際高能物理學研究(jiu)之用。地理坐(zuo)標(biao)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(zi)(zi)(zi)對撞機將是(shi)世界上最大(da)、能(neng)量最高的(de)粒子(zi)(zi)(zi)加速(su)器(qi),來(lai)自大(da)約80個(ge)國(guo)家(jia)的(de)7000名(ming)科學家(jia)和工(gong)程師。由40個(ge)國(guo)家(jia)建造。是(shi)一種將質子(zi)(zi)(zi)加速(su)對撞的(de)高能(neng)物理設備。它是(shi)一個(ge)圓(yuan)形加速(su)器(qi),深埋于(yu)地下(xia)100米(mi),它的(de)環狀隧道有 27 公里長,坐落于(yu)在瑞士日(ri)內瓦的(de)歐(ou)洲核(he)子(zi)(zi)(zi)研究中心(xin)(又名(ming)歐(ou)洲粒子(zi)(zi)(zi)物理實驗室),橫(heng)跨法國(guo)和瑞士的(de)邊境(jing)。
為了節省成(cheng)本,物理學家(jia)們沒(mei)有(you)開鑿一(yi)條(tiao)昂貴的(de)(de)(de)(de)(de)新(xin)隧道來容納新(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)對撞(zhuang)機,而是決定拆掉原來安(an)置在(zai)歐洲原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核研(yan)究中心的(de)(de)(de)(de)(de)正負電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)加(jia)速器,代之以(yi)建造大(da)(da)型強(qiang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)對撞(zhuang)機所(suo)需(xu)要的(de)(de)(de)(de)(de)5萬(wan)噸設備。當兩個質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)束(shu)在(zai)環形隧道中沿著反方(fang)向運動的(de)(de)(de)(de)(de)時候,強(qiang)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)場使它(ta)們的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量急劇增加(jia)。這(zhe)些(xie)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)每運行(xing)一(yi)圈,就會(hui)獲得(de)更(geng)多的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量。要保持如(ru)此高能(neng)(neng)量的(de)(de)(de)(de)(de)質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)束(shu)繼(ji)續運行(xing)需(xu)要非常強(qiang)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)場。這(zhe)么強(qiang)的(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)場是由冷(leng)卻到(dao)接近絕(jue)對零度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)導電(dian)(dian)磁(ci)體產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)。物理學家(jia)們最希望建造的(de)(de)(de)(de)(de)是一(yi)個30公里長的(de)(de)(de)(de)(de)機器,它(ta)能(neng)(neng)以(yi)至少5千(qian)億電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)伏的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量將電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)正電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)一(yi)起粉(fen)碎(sui)。 目(mu)前;對撞(zhuang)機已經發(fa)現了‘希格斯粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)希格斯玻色子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)存在(zai),升(sheng)級后發(fa)現‘夸克(ke)奇異重(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)’五(wu)種夸克(ke)的(de)(de)(de)(de)(de)‘味變(bian)’集合體存在(zai),改(gai)造升(sheng)級能(neng)(neng)量的(de)(de)(de)(de)(de)加(jia)大(da)(da)還會(hui)‘探索發(fa)現’超(chao)對稱粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)希格斯耦合粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)與粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)額外維相存在(zai)。
LHC是一個(ge)國際合作的(de)計劃,由34個(ge)國家超過兩千(qian)位(wei)物理學家所屬的(de)大學與(yu)實驗室所共同出資合作興建(jian)的(de)。
LHC包含了(le)一個圓周為27公里的圓形隧道,因當地(di)地(di)形的緣故位(wei)(wei)于地(di)下50至(zhi)150米(mi)之間。這是先前大(da)型電子正子加速(su)器(qi)(LEP)所使用隧道的再利(li)用,隧道本身直(zhi)徑三(san)米(mi),位(wei)(wei)于同(tong)一平面上,并貫穿瑞士(shi)與法(fa)國邊境,主(zhu)要的部分大(da)半位(wei)(wei)于法(fa)國。雖然(ran)隧道本身位(wei)(wei)于地(di)底下,尚有(you)許多(duo)地(di)面設(she)(she)施如冷卻壓縮(suo)機,通風設(she)(she)備(bei),控(kong)制(zhi)電機設(she)(she)備(bei),還有(you)冷凍槽(cao)等(deng)等(deng)建構于其(qi)上。
加(jia)速(su)器通(tong)道(dao)中,主要是(shi)放置兩(liang)個(ge)質(zhi)子束管。加(jia)速(su)管由超導磁(ci)鐵(tie)(tie)所包(bao)覆,以液態(tai)氦來(lai)冷(leng)卻。管中的質(zhi)子是(shi)以相反的方向,環繞著整個(ge)環型加(jia)速(su)器運(yun)行(xing)。除此(ci)之外,在(zai)四個(ge)實(shi)驗碰撞點附近,另有安裝其他的偏向磁(ci)鐵(tie)(tie)及聚(ju)焦磁(ci)鐵(tie)(tie)。
LHC加速環的(de)(de)四個碰撞(zhuang)點,分別設有五個偵(zhen)(zhen)測(ce)器(qi)(qi)在碰撞(zhuang)點的(de)(de)地穴中。其中超環面儀器(qi)(qi) (ATLAS)與緊(jin)湊渺(miao)子(zi)線圈(CMS)是通用(yong)型的(de)(de)粒子(zi)偵(zhen)(zhen)測(ce)器(qi)(qi)。其他三個(LHC底夸克偵(zhen)(zhen)測(ce)器(qi)(qi)(LHCb),大型離子(zi)對撞(zhuang)器(qi)(qi)(ALICE)以及全(quan)截面彈(dan)性散射偵(zhen)(zhen)測(ce)器(qi)(qi)(TOTEM)則(ze)是較小型的(de)(de)特殊目標偵(zhen)(zhen)測(ce)器(qi)(qi)。
1994年(nian),大(da)型強(qiang)(qiang)子(zi)對(dui)撞(zhuang)機項目(mu)立(li)項后(hou),林恩·埃(ai)文斯理所(suo)當然地就成為了這個耗(hao)資(zi)百(bai)億美元的項目(mu)的負責人。對(dui)撞(zhuang)機從(cong)設計到建造,都由他全(quan)權(quan)負責。14年(nian)后(hou),在瑞士和(he)法國(guo)交界(jie)地區(qu)地下(xia)100米深處的周(zhou)長為27公里(li)的環形隧道里(li),埃(ai)文斯和(he)全(quan)球80多個國(guo)家近萬名(ming)科學家的心血結晶——大(da)型強(qiang)(qiang)子(zi)對(dui)撞(zhuang)機正式建成。
在(zai)2005年10月25日,因為起(qi)重(zhong)機載貨的意(yi)外掉落,造(zao)成一位技術人員的喪生。
2007年3月27日(ri),由費(fei)米實(shi)驗(yan)室所負責建造,一個用(yong)于(yu) LHC 內部的三(san)極低溫超(chao)導磁(ci)鐵(屬于(yu)聚焦用(yong)四(si)極磁(ci)鐵),因為支撐架的設計不良,在壓力測試時(shi)發生破損(sun)。雖然沒有(you)造成人(ren)員的傷亡,但是卻嚴重影響了(le) LHC 開始(shi)運作(zuo)的時(shi)程。
2008年6月15日(ri),在埃(ai)文(wen)斯(si)的退休儀(yi)式上,這(zhe)6位主任(ren)紛紛親自出(chu)面或通過視頻向(xiang)他致以(yi)敬(jing)意(yi)。他們還聯合(he)簽(qian)署了(le)一份文(wen)件(jian),將大型強子對撞(zhuang)(zhuang)機以(yi)林恩·埃(ai)文(wen)斯(si)的名字命名,并(bing)制作了(le)一個對撞(zhuang)(zhuang)機偶極子的小(xiao)模型贈送給(gei)埃(ai)文(wen)斯(si)。
2008年9月10日,對撞(zhuang)機初次(ci)啟動進行測(ce)試(shi)。埃文斯(si)將手指放在鼠標上,親自(zi)點擊啟動了首次(ci)測(ce)試(shi)。這(zhe)次(ci)測(ce)試(shi)是研究(jiu)人員將一個質子(zi)束(shu)(shu)以順時針方向注入到(dao)加(jia)速(su)器中,讓其加(jia)速(su)到(dao)99.9998%光(guang)速(su)的超(chao)快速(su)度,從而使此(ci)質子(zi)束(shu)(shu)在全長27公里的環形隧道(dao)中以每秒11245圈的速(su)度狂飆。這(zhe)一幕通(tong)過網絡視頻向世界進行了直(zhi)播,還有300多(duo)名記(ji)者來到(dao)此(ci)實(shi)驗室目睹測(ce)試(shi)過程。
2008年(nian)9月19日,LHC,第(di)三(san)與第(di)四段之間(jian),用來冷卻超導磁鐵的(de)(de)液(ye)態氦(hai),發生(sheng)了嚴重的(de)(de)泄漏。據推測(ce)是(shi)(shi)由于聯接(jie)兩(liang)個超導磁鐵的(de)(de)接(jie)點(dian)接(jie)觸不良(liang),在(zai)超導高電流的(de)(de)情況(kuang)下融毀所造成的(de)(de)。依據CERN的(de)(de)安全(quan)條例,必需將磁鐵升回到(dao)室溫(wen)后(hou)詳細檢查才能(neng)繼(ji)續運(yun)轉(zhuan),這(zhe)將需要三(san)到(dao)四周的(de)(de)時(shi)間(jian)。要再冷卻回運(yun)作溫(wen)度,也是(shi)(shi)得經過(guo)三(san)四周的(de)(de)時(shi)間(jian),如此正好(hao)遇(yu)上預定的(de)(de)年(nian)度檢修(xiu)時(shi)程,因此要開(kai)始運(yun)作將可能(neng)延(yan)遲至2009年(nian)春天(tian)。
2008年10月(yue)16日,CERN發布了關于液態(tai)氦泄(xie)漏(lou)事件的(de)(de)調查分(fen)析,證實(shi)了先前推(tui)測的(de)(de)為(wei)兩(liang)超導(dao)磁鐵間接點不良所造成的(de)(de)。由于安(an)全(quan)條例確實(shi)地實(shi)行、安(an)全(quan)設計皆有正常(chang)工作、并且替換用的(de)(de)零(ling)件都有庫存(cun),預期2009年6月(yue)重啟。
2008年9月10日下午15:30正式開始運作,成為世界(jie)上最大的粒子(zi)加速器設施。
2008年9月19日,LHC第三與第四段(duan)之間,用來冷卻超導磁鐵的液態氦,發生了嚴重的泄漏,導致對撞機暫停(ting)運(yun)轉。
自大(da)約(yue)80個國(guo)家的(de)7000名科學家和工程(cheng)師參與了該(gai)項目。
60余名中(zhong)國(guo)(guo)科(ke)學(xue)(xue)家(其(qi)中(zhong)近(jin)四(si)十人為(wei)(wei)臺灣科(ke)學(xue)(xue)家)參與(yu)強子(zi)對撞機實(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)。四(si)個主要實(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)均(jun)有中(zhong)國(guo)(guo)科(ke)研(yan)單位和高校參與(yu),分別為(wei)(wei):中(zhong)科(ke)院高能物(wu)理(li)研(yan)究所、中(zhong)國(guo)(guo)科(ke)技(ji)大(da)學(xue)(xue)、山東大(da)學(xue)(xue)、南京(jing)大(da)學(xue)(xue)參與(yu)ATLAS實(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan);中(zhong)科(ke)院高能物(wu)理(li)研(yan)究所、北京(jing)大(da)學(xue)(xue)參與(yu)CMS實(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan);華中(zhong)師范(fan)大(da)學(xue)(xue)參與(yu)ALICE實(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan);清(qing)華大(da)學(xue)(xue)參與(yu)LHCb實(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)。
大型強子對(dui)撞機(LHC)是歐洲粒子物(wu)理(li)研究所(CERN)的加(jia)速器復合體的最新補充。
在(zai)這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)(ge)(ge)加速(su)器(qi)里面,2束高(gao)能粒子流在(zai)彼此相(xiang)撞之前,以接近光速(su)的速(su)度(du)向(xiang)前傳(chuan)播。這(zhe)(zhe)兩束粒子流分(fen)(fen)別(bie)通過不(bu)同光束管,向(xiang)相(xiang)反方(fang)向(xiang)傳(chuan)播,這(zhe)(zhe)兩根(gen)管子都處于超高(gao)真空狀態(tai)(tai)。一(yi)個(ge)(ge)(ge)(ge)強(qiang)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)促使它們圍繞那個(ge)(ge)(ge)(ge)加速(su)環運行,這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)(ge)(ge)強(qiang)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)是(shi)(shi)利用超導(dao)電(dian)磁(ci)(ci)(ci)石(shi)獲(huo)得(de)的。這(zhe)(zhe)些(xie)超導(dao)電(dian)磁(ci)(ci)(ci)石(shi)是(shi)(shi)利用特殊電(dian)纜線制成的,它們在(zai)超導(dao)狀態(tai)(tai)下進行操作,有效傳(chuan)導(dao)電(dian)流,沒有電(dian)阻消耗或能量(liang)損(sun)失。要(yao)達到(dao)這(zhe)(zhe)種結果,大(da)約需(xu)要(yao)將(jiang)磁(ci)(ci)(ci)體冷(leng)卻到(dao)零下271℃,這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)(ge)(ge)溫度(du)比外(wai)太空的溫度(du)還低。由于這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)(ge)(ge)原因,大(da)部分(fen)(fen)加速(su)器(qi)都與一(yi)個(ge)(ge)(ge)(ge)液態(tai)(tai)氦分(fen)(fen)流系(xi)統(tong)和其他設備(bei)相(xiang)連,這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)(ge)(ge)液態(tai)(tai)氦分(fen)(fen)流系(xi)統(tong)是(shi)(shi)用來(lai)冷(leng)卻磁(ci)(ci)(ci)體的。
大型強子(zi)對撞機利(li)用數千個種(zhong)類(lei)(lei)不同(tong),型號各(ge)異的(de)(de)磁體(ti)(ti)(ti),給(gei)該加速器周圍(wei)的(de)(de)粒(li)(li)子(zi)束指引方向。這(zhe)些磁體(ti)(ti)(ti)中(zhong)包括15米長(chang)的(de)(de)1232雙(shuang)極(ji)磁體(ti)(ti)(ti)和392四(si)極(ji)磁體(ti)(ti)(ti),1232雙(shuang)極(ji)磁體(ti)(ti)(ti)被用來彎曲粒(li)(li)子(zi)束,392四(si)極(ji)磁體(ti)(ti)(ti)每個都有5到7米長(chang),它們(men)被用來集中(zhong)粒(li)(li)子(zi)流。在碰撞之前,大型強子(zi)對撞機利(li)用另一種(zhong)類(lei)(lei)型的(de)(de)磁體(ti)(ti)(ti)“擠壓”粒(li)(li)子(zi),讓(rang)它們(men)彼此(ci)靠(kao)的(de)(de)更近,以(yi)增加它們(men)成功(gong)相撞的(de)(de)機會。這(zhe)些粒(li)(li)子(zi)非常小,讓(rang)它們(men)相撞,就(jiu)如同(tong)讓(rang)從相距(ju)10公(gong)里的(de)(de)兩地(di)發射出來的(de)(de)兩根(gen)針(zhen)相撞一樣。
這個(ge)加速器、它的(de)儀器和技(ji)術方面的(de)基(ji)礎設施的(de)操作器,都安裝在歐(ou)洲(zhou)粒子(zi)(zi)物理(li)研究所(suo)控制中心的(de)同一座(zuo)建筑內。在這里(li),大型(xing)強子(zi)(zi)對撞機內的(de)粒子(zi)(zi)流將在加速器環(huan)周(zhou)圍的(de)4個(ge)區(qu)域(yu)相(xiang)撞,這4個(ge)區(qu)域(yu)與粒子(zi)(zi)探(tan)測(ce)器的(de)位(wei)置相(xiang)對應。
兩個(ge)對撞(zhuang)(zhuang)加速管中(zhong)的(de)(de)質(zhi)子(zi)(zi),各具有(you)的(de)(de)能量(liang)為(wei)(wei) 7 TeV (兆兆電子(zi)(zi)伏(fu)特),總撞(zhuang)(zhuang)擊(ji)能量(liang)達 14 TeV之譜(pu)。每(mei)個(ge)質(zhi)子(zi)(zi)環繞整(zheng)個(ge)儲(chu)存環的(de)(de)時間為(wei)(wei) 89 微(wei)秒(miao)(microsecond)。因(yin)為(wei)(wei)同步加速器的(de)(de)特性,加速管中(zhong)的(de)(de)粒子(zi)(zi)是以(yi)粒子(zi)(zi)團(bunch)的(de)(de)形(xing)式(shi),而(er)非連續的(de)(de)粒子(zi)(zi)流(liu)。整(zheng)個(ge)儲(chu)存環將會(hui)有(you)2800個(ge)粒子(zi)(zi)團,最(zui)短碰撞(zhuang)(zhuang)周期(qi)為(wei)(wei) 25 納(na)秒(miao)(nanosecond)。在加速器開始運作的(de)(de)初(chu)期(qi),將會(hui)以(yi)軌道(dao)中(zhong)放(fang)入(ru)較(jiao)少的(de)(de)粒子(zi)(zi)團的(de)(de)方式(shi)運作,碰撞(zhuang)(zhuang)周期(qi)為(wei)(wei) 75 納(na)秒(miao),再逐步提升到設計(ji)目標。
在(zai)粒子(zi)(zi)入射到主加(jia)速(su)環之前,會先經過(guo)一(yi)系(xi)列加(jia)速(su)設(she)施,逐級提升能(neng)量(liang)(liang)。其中(zhong),由兩(liang)個直線加(jia)速(su)器(qi)所構成的(de)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)同(tong)步(bu)加(jia)速(su)器(qi) (PS)將產生(sheng)50 MeV的(de)能(neng)量(liang)(liang),接著質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)同(tong)步(bu)推進器(qi) (PSB)提升能(neng)量(liang)(liang)到1.4GeV。而(er)質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)同(tong)步(bu)加(jia)速(su)環可(ke)(ke)達到26 GeV的(de)能(neng)量(liang)(liang)。低(di)能(neng)量(liang)(liang)入射環(LEIR)為一(yi)離子(zi)(zi)儲存與冷卻的(de)裝(zhuang)置。反物質(zhi)(zhi)減(jian)速(su)器(qi) (AD)可(ke)(ke)以將3.57 GeV的(de)反質(zhi)(zhi)子(zi)(zi),減(jian)速(su)到2 GeV。最后超級質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)同(tong)步(bu)加(jia)速(su)器(qi)(SPS)可(ke)(ke)提升質(zhi)(zhi)子(zi)(zi)的(de)能(neng)量(liang)(liang)到450 GeV。
LHC也可以用來加速(su)(su)(su)對撞重(zhong)離子(zi)(zi),例如(ru)鉛(Pb)離子(zi)(zi)可加速(su)(su)(su)到(dao)1150 TeV。由于LHC有著(zhu)對工程技術上(shang)(shang)極端的(de)挑戰,安全(quan)上(shang)(shang)的(de)確保是極其重(zhong)要(yao)(yao)的(de)。當LHC開始運(yun)作(zuo)時,磁鐵中的(de)總(zong)(zong)能(neng)量高達100億焦(jiao)耳(GJ),而粒(li)子(zi)(zi)束(shu)中的(de)總(zong)(zong)能(neng)量也高達725百萬焦(jiao)耳(MJ)。只需要(yao)(yao)10?7總(zong)(zong)粒(li)子(zi)(zi)能(neng)量便可以使超導磁鐵脫離超導態,而丟(diu)棄全(quan)部(bu)的(de)加速(su)(su)(su)粒(li)子(zi)(zi)可相(xiang)當于一個小(xiao)型的(de)爆炸。
林恩·埃文斯(Lyn Evans),歐洲大(da)(da)型(xing)強(qiang)子對撞機(ji)的領導(dao)者(zhe)。是(shi)威(wei)爾士(shi)一位(wei)礦工的兒子,在阿(a)布(bu)戴爾(Aberdare)中學(xue)(xue)時就對科學(xue)(xue)萌發了興趣,獲得了英國斯旺西大(da)(da)學(xue)(xue)的物理(li)學(xue)(xue)博士(shi)學(xue)(xue)位(wei)。
1969年(nian),他花(hua)3個月(yue)時間(jian)訪(fang)問了歐(ou)洲核子物理研究組織(CERN)項目。從此,他和妻(qi)子以及家人就(jiu)定居在這(zhe)里。65歲(sui)的(de)威爾士(shi)人林恩·埃文(wen)斯(si)大(da)(da)概可以算得上是(shi)這(zhe)個世界上對(dui)“爆(bao)炸(zha)”最執著的(de)人了。從小就(jiu)愛(ai)用各種化學物質搗鼓點小爆(bao)炸(zha)的(de)他,長(chang)大(da)(da)后又對(dui)宇(yu)宙大(da)(da)爆(bao)炸(zha)產生了興(xing)趣。
為(wei)了模擬(ni)宇宙(zhou)大(da)爆炸,解開宇宙(zhou)之(zhi)謎,他一手“策劃”了堪稱世界(jie)上最大(da)科學(xue)實驗的歐洲大(da)型強子(zi)對撞(zhuang)機(LHC)項目(mu)。從(cong)(cong)設(she)計,建造,到實驗,埃文(wen)斯已經一路伴隨這(zhe)個(ge)項目(mu)走過了近16個(ge)年(nian)頭。5個(ge)月前正式從(cong)(cong)歐洲核子(zi)研究(jiu)中(zhong)心(xin)(CERN)退休后,埃文(wen)斯漸漸放慢了工(gong)作(zuo)節奏,但他依然沒有離開LHC項目(mu)。盡管(guan)不再擔任項目(mu)負責人,他在CMS(緊湊(cou)繆子(zi)線圈)實驗小(xiao)組(zu)中(zhong)仍(reng)然擔任著(zhu)重要工(gong)作(zuo)。
歐洲核子(zi)(zi)研究(jiu)中心于2008年9月(yue)10日啟動(dong)大(da)(da)型強子(zi)(zi)對撞機(LHC)。這個世界上最大(da)(da)的機器,有望(wang)揭開宇(yu)宙起源的奧秘(mi)在內五(wu)大(da)(da)謎(mi)團。
過去幾(ji)十年來(lai)(lai),物(wu)理學(xue)(xue)(xue)家(jia)不(bu)斷在(zai)細節上(shang)加深對(dui)(dui)構成宇宙的(de)(de)(de)基本(ben)粒子(zi)及(ji)其交互作用的(de)(de)(de)了解。了解的(de)(de)(de)加深讓粒子(zi)物(wu)理學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)(de)“標準模型(xing)”變得更(geng)為豐滿,但這(zhe)個模型(xing)中仍存在(zai)縫隙,以至于我們無法繪制一幅完(wan)整的(de)(de)(de)圖(tu)畫。為了幫助科(ke)學(xue)(xue)(xue)家(jia)揭示(shi)粒子(zi)物(wu)理學(xue)(xue)(xue)上(shang)這(zhe)些關鍵(jian)性的(de)(de)(de)未解之謎,需要大(da)量實驗數(shu)據支持(chi),大(da)型(xing)強子(zi)對(dui)(dui)撞機便擔負(fu)起“數(shu)據提供(gong)者”的(de)(de)(de)角(jiao)色,這(zhe)也是(shi)非(fei)常(chang)重要的(de)(de)(de)一個步驟。大(da)型(xing)強子(zi)對(dui)(dui)撞機能夠將兩束質子(zi)加速到(dao)空前(qian)的(de)(de)(de)能量狀態而后(hou)發生相撞,此時的(de)(de)(de)撞擊可(ke)能帶來(lai)(lai)意想(xiang)不(bu)到(dao)的(de)(de)(de)結果,絕對(dui)(dui)是(shi)任何(he)人都(dou)無法想(xiang)象的(de)(de)(de)。
牛頓未完成的工(gong)作——什么是質量?
質(zhi)量的起源是(shi)什么?為(wei)什么微小粒(li)子(zi)擁有質(zhi)量,而其它(ta)一(yi)些(xie)粒(li)子(zi)卻沒有這(zhe)(zhe)種“待遇”?對(dui)于這(zhe)(zhe)些(xie)問題,科學家(jia)到(dao)現在(zai)也沒有找(zhao)到(dao)一(yi)個確切答(da)案。最有可(ke)能的解釋似乎可(ke)以在(zai)希格(ge)斯玻色子(zi)身上(shang)找(zhao)到(dao)。希格(ge)斯玻色子(zi)是(shi)“標(biao)準模(mo)型”這(zhe)(zhe)一(yi)粒(li)子(zi)物理學理論中最后一(yi)種尚未被(bei)發(fa)現的粒(li)子(zi),它(ta)的存(cun)(cun)在(zai)是(shi)整(zheng)個“標(biao)準模(mo)型”的基(ji)石。早(zao)在(zai)1964年,蘇格(ge)蘭物理學家(jia)彼得·希格(ge)斯(Peter Higgs)便(bian)首次預言存(cun)(cun)在(zai)這(zhe)(zhe)種粒(li)子(zi),科學家(jia)多(duo)次通(tong)過這(zhe)(zhe)臺機器觀(guan)測到(dao)這(zhe)(zhe)種粒(li)子(zi)。
ATLAS和CMS實驗將積極(ji)尋(xun)找(zhao)這種難于捉摸的粒子(zi)存在跡象。
一個“看不見”的問題——96%的宇宙由什么(me)構成?
我們(men)(men)在宇(yu)(yu)(yu)宙中看到的(de)(de)(de)一切——從小螞蟻到巨大(da)的(de)(de)(de)星(xing)系——都(dou)是(shi)由(you)普通(tong)粒(li)子(zi)構(gou)(gou)成(cheng)的(de)(de)(de)。這些粒(li)子(zi)被統稱為物質(zhi),它們(men)(men)構(gou)(gou)成(cheng)了4%的(de)(de)(de)宇(yu)(yu)(yu)宙。余下的(de)(de)(de)部分據信由(you)暗物質(zhi)——不(bu)發光的(de)(de)(de)物質(zhi)和暗能量(liang)構(gou)(gou)成(cheng),它們(men)(men)對(dui)于(yu)整(zheng)個(ge)宇(yu)(yu)(yu)宙的(de)(de)(de)構(gou)(gou)成(cheng)與運行有著極其重要的(de)(de)(de)作用。對(dui)它們(men)(men)進行探(tan)測和研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)難度不(bu)可想象。研(yan)究(jiu)暗物質(zhi)和暗能量(liang)的(de)(de)(de)性質(zhi)是(shi)當今粒(li)子(zi)物理(li)學(xue)和宇(yu)(yu)(yu)宙學(xue)面臨(lin)的(de)(de)(de)最大(da)挑戰之(zhi)一。
ATLAS和CMS實驗(yan)將尋找超級(ji)對稱的(de)粒子,用(yong)于驗(yan)證一種與暗物質構成有關的(de)假設。
大(da)自然的偏好——為什么(me)找不到(dao)反物(wu)質(zhi)?
我(wo)們生(sheng)活在一(yi)個由(you)物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)構成(cheng)的(de)世(shi)界,宇宙(zhou)(zhou)萬(wan)物(wu)(wu)——包括我(wo)們人類(lei)在內都是由(you)物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)構成(cheng)的(de)。反物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)就像物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)的(de)一(yi)個孿(luan)生(sheng)兄弟,但(dan)它(ta)(ta)卻攜帶相反電荷。在宇宙(zhou)(zhou)誕生(sheng)時,“大爆炸(zha)”產生(sheng)了相同數量的(de)物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)和反物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)。然而,一(yi)旦(dan)這對(dui)孿(luan)生(sheng)兄弟碰面(mian),它(ta)(ta)們就會“同歸于(yu)盡”,并(bing)最(zui)終轉換成(cheng)能量。不知何故,少量物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)幸(xing)存下來,并(bing)形成(cheng)我(wo)們現在生(sheng)活的(de)宇宙(zhou)(zhou),而它(ta)(ta)的(de)孿(luan)生(sheng)兄弟反物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)卻幾(ji)乎消失得無影無蹤。為(wei)什么大自(zi)然不能一(yi)碗水端平,平等對(dui)待這對(dui)孿(luan)生(sheng)兄弟呢?
LHCb實驗(yan)將尋找物質(zhi)(zhi)與反物質(zhi)(zhi)之(zhi)間的(de)差異(yi),幫助解釋大(da)自然為(wei)(wei)何(he)如此(ci)偏向(xiang)。此(ci)前的(de)實驗(yan)已(yi)經(jing)觀察到兩者之(zhi)間的(de)些許不(bu)(bu)同,但迄今(jin)為(wei)(wei)止的(de)研究發現還不(bu)(bu)足以解釋宇宙中的(de)物質(zhi)(zhi)和暗物質(zhi)(zhi)為(wei)(wei)何(he)在(zai)數量上呈現出明顯的(de)不(bu)(bu)均衡。
“大爆炸(zha)”的秘密(mi)——物質在宇宙(zhou)誕生后(hou)的第(di)一秒呈什(shen)么狀態?
構(gou)(gou)成(cheng)宇(yu)(yu)宙萬物(wu)的物(wu)質據信來(lai)源于一(yi)系(xi)列密集(ji)而(er)熾(chi)熱的基(ji)本粒子(zi)(zi)(zi)(zi)。現在(zai)宇(yu)(yu)宙中的普(pu)通物(wu)質由(you)(you)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)構(gou)(gou)成(cheng),原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)擁有(you)一(yi)個由(you)(you)質子(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中子(zi)(zi)(zi)(zi)構(gou)(gou)成(cheng)的核(he)子(zi)(zi)(zi)(zi),質子(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)中子(zi)(zi)(zi)(zi)都是(shi)被稱之(zhi)為“膠子(zi)(zi)(zi)(zi)”的其(qi)它(ta)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)束(shu)縛夸(kua)克形成(cheng)的。這種束(shu)縛非常(chang)強大(da)(da),但在(zai)最(zui)初的宇(yu)(yu)宙,由(you)(you)于溫度(du)極(ji)高加之(zhi)能量巨大(da)(da),膠子(zi)(zi)(zi)(zi)很難將夸(kua)克結合(he)在(zai)一(yi)起。也就是(shi)說(shuo),這種束(shu)縛似乎(hu)是(shi)在(zai)“大(da)(da)爆炸(zha)”發生后(hou)的最(zui)初幾微秒(miao)內形成(cheng)的,此時(shi)的宇(yu)(yu)宙擁有(you)一(yi)個由(you)(you)夸(kua)克和(he)膠子(zi)(zi)(zi)(zi)構(gou)(gou)成(cheng)的非常(chang)熾(chi)熱而(er)密集(ji)的混合(he)物(wu),也就是(shi)所說(shuo)的“夸(kua)克-膠子(zi)(zi)(zi)(zi)等離子(zi)(zi)(zi)(zi)體”。
ALICE實驗將(jiang)利用大型強子(zi)對(dui)撞機模擬大爆炸發生(sheng)后的原始宇宙形態,分(fen)析夸克-膠子(zi)等(deng)離(li)子(zi)體的性質。
隱藏的(de)世界(jie)——空間的(de)額外維度真的(de)存在嗎?
根(gen)據愛(ai)因斯坦(tan)廣(guang)義相對論,人(ren)類(lei)生(sheng)存(cun)(cun)的三(san)維(wei)空間(jian)加(jia)上時(shi)間(jian)軸即構成所(suo)謂四(si)維(wei)時(shi)空。后來(lai)的理(li)論認為,可能存(cun)(cun)在擁有(you)隱藏維(wei)度(du)的空間(jian)。弦理(li)論便(bian)暗示(shi)額(e)外的空間(jian)維(wei)度(du)尚未被人(ren)類(lei)觀察到,它(ta)們似乎會(hui)在高能條件(jian)下顯現出(chu)來(lai)。基于這種推(tui)測,科學(xue)家將對所(suo)有(you)探測器獲(huo)得的數據進行仔細(xi)分析,以尋找(zhao)額(e)外維(wei)度(du)存(cun)(cun)在跡象。
物理學家(jia)希望借由加速器對撞機來(lai)幫助他(ta)們(men)解答下列的問題:
標準模型中所流行的(de)造成基本粒子(zi)質量(liang)的(de)希格斯機制是(shi)真實的(de)嗎(ma)?
真是(shi)如此的話(hua),希格斯(si)粒子有多少種(zhong),質(zhi)量又分別(bie)是(shi)多少呢?
當重子(zi)的質(zhi)量(liang)被更精(jing)確的測量(liang)時,標(biao)準模型是(shi)否仍然成立的?
粒子(zi)是否有相對應的(de)超對稱(SUSY)粒子(zi)存在(zai)?
為何物(wu)質與反物(wu)質是不對稱的?
有(you)更高維度的空間(jian)(Kaluza-Kleintheory,extradimensions)存在嗎?
我(wo)們(men)可(ke)以見(jian)到這啟發弦論的現象嗎?
宇宙有96%的質(zhi)量是(shi)天文(wen)學上無法觀測到的,這些到底是(shi)什么?
為何萬有引力(li)比起其(qi)他三個(ge)(ge)基本作(zuo)用力(li)(電磁(ci)力(li),強作(zuo)用力(li),弱作(zuo)用力(li))差了這么(me)多個(ge)(ge)數量級?
重離子對撞機
雖然(ran)(ran)LHC的(de)(de)物(wu)理實驗(yan)計(ji)劃(hua),著重于研究質子對撞(zhuang)后的(de)(de)現象(xiang)。然(ran)(ran)而(er),短期的(de)(de)如每年一個月的(de)(de)重離子對撞(zhuang)也(ye)在實驗(yan)計(ji)劃(hua)之(zhi)中。雖然(ran)(ran)其他較(jiao)輕的(de)(de)離子對撞(zhuang)實驗(yan)也(ye)是可行的(de)(de),主要的(de)(de)規劃(hua)為鉛離子的(de)(de)對撞(zhuang)實驗(yan)。
世界上最大的機器
大型(xing)(xing)強(qiang)子(zi)對撞(zhuang)機(ji)的(de)(de)(de)精確周長是2.6659萬(wan)米,內(nei)部(bu)總(zong)共有9300個磁(ci)體(ti)。大型(xing)(xing)強(qiang)子(zi)對撞(zhuang)機(ji)不(bu)僅是世(shi)界(jie)上最大的(de)(de)(de)粒子(zi)加速器,而且僅它(ta)的(de)(de)(de)制(zhi)冷(leng)(leng)分配系統(cryogenic distribution system)的(de)(de)(de)八(ba)分之一,就稱得上是世(shi)界(jie)上最大的(de)(de)(de)制(zhi)冷(leng)(leng)機(ji)。制(zhi)冷(leng)(leng)分配系統在充(chong)滿(man)近60噸(dun)液(ye)態氦,將(jiang)所有磁(ci)體(ti)都冷(leng)(leng)卻到(dao)零(ling)下(xia)271.3℃(1.9開氏度(du))前,它(ta)將(jiang)先利用1.008萬(wan)噸(dun)液(ye)態氮將(jiang)這(zhe)些磁(ci)體(ti)的(de)(de)(de)溫度(du)降(jiang)低到(dao)零(ling)下(xia)193.2℃。
世界上最快的跑道
功率達到(dao)最(zui)大(da)時,數萬億個(ge)質子(zi)將在大(da)型(xing)強子(zi)對(dui)撞(zhuang)機周圍(wei)的(de)加速(su)器環內(nei)以每秒1.1245萬次的(de)頻率急(ji)速(su)穿(chuan)行,它(ta)們的(de)速(su)度是光(guang)速(su)的(de)99.9999991%。兩束質子(zi)束分(fen)別以70000億電子(zi)伏特的(de)最(zui)大(da)功率相(xiang)向而行,在功率達到(dao)140000億電子(zi)伏特時發(fa)生(sheng)(sheng)碰撞(zhuang)。每秒總共(gong)能發(fa)生(sheng)(sheng)大(da)約6億次撞(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)星間的(de)(de)(de)空(kong)間一樣空(kong)蕩(dang)的(de)(de)(de)超真空(kong)環境中(zhong)穿行(xing)。大(da)(da)型(xing)強子對撞機的(de)(de)(de)內壓是(shi)10^(-13)(10的(de)(de)(de)負13次方)個大(da)(da)氣壓,比月(yue)球上的(de)(de)(de)壓力小10倍。
銀河系最熱點
大型(xing)強(qiang)子(zi)對(dui)撞(zhuang)(zhuang)機(ji)是一個極(ji)熱(re)和極(ji)冷并存的(de)(de)機(ji)器(qi)。當(dang)兩束質子(zi)束相(xiang)撞(zhuang)(zhuang)時,它們將在(zai)一個極(ji)小的(de)(de)空間內產(chan)生比(bi)太陽中心熱(re)10萬倍的(de)(de)高(gao)溫。與之相(xiang)比(bi),促使超(chao)流體氦在(zai)加速(su)器(qi)環周圍(wei)循環的(de)(de)制冷分配系統,讓(rang)大型(xing)強(qiang)子(zi)對(dui)撞(zhuang)(zhuang)機(ji)保持在(zai)零下271.3℃(1.9開氏度(du))的(de)(de)超(chao)低溫環境(jing)下,這個溫度(du)比(bi)外太空的(de)(de)溫度(du)還低。
史上最先進的探測器
為了抽樣檢查(cha)和(he)記錄每秒多(duo)達6億次的(de)(de)質(zhi)子相撞(zhuang)結果(guo),物理(li)學家和(he)工程師已經(jing)(jing)制造了測(ce)(ce)量粒子的(de)(de)精確(que)度是微米的(de)(de)龐大(da)(da)儀器(qi)。大(da)(da)型強子對撞(zhuang)機的(de)(de)探測(ce)(ce)器(qi)擁有(you)先進的(de)(de)電子觸發系統,它(ta)測(ce)(ce)量粒子經(jing)(jing)過時所用時間的(de)(de)精確(que)度,大(da)(da)約是十億分(fen)之(zhi)一(yi)秒。這個觸發系統在確(que)定粒子的(de)(de)位(wei)置時,精確(que)度可達百萬分(fen)之(zhi)一(yi)米。這種令人難(nan)以置信的(de)(de)快速和(he)精確(que)反應,是確(que)保一(yi)個探測(ce)(ce)器(qi)連續層內記錄的(de)(de)粒子保持一(yi)致的(de)(de)基礎。
世界最強大計算機系統
記錄大型強子對(dui)(dui)撞(zhuang)機進行的(de)每項大試驗的(de)數(shu)(shu)據,每年大約足夠刻(ke)10億張(zhang)雙面DVD光盤(pan)。據估計,大型強子對(dui)(dui)撞(zhuang)機的(de)壽(shou)命是15年。為了讓世(shi)(shi)界各地的(de)數(shu)(shu)千名(ming)科學家在未(wei)來15年內通力合作,分(fen)析這(zhe)些數(shu)(shu)據,分(fen)布在世(shi)(shi)界各地的(de)好幾萬臺電腦(nao)將(jiang)利用一種被稱作網格的(de)分(fen)散式計算網(distributed computing network)實(shi)施(shi)研究(jiu)工作。
世界各地的(de)數(shu)(shu)(shu)千名科學家都希望了解并(bing)分析(xi)這些數(shu)(shu)(shu)據(ju)。為了解決這個(ge)問題,目前歐洲(zhou)粒(li)子(zi)物理(li)研究所(CERN)正(zheng)在建一個(ge)分散的(de)計(ji)(ji)算和(he)數(shu)(shu)(shu)據(ju)儲存設(she)施——大(da)型(xing)(xing)強子(zi)對(dui)撞機(ji)計(ji)(ji)算網格(LCG)。大(da)型(xing)(xing)強子(zi)對(dui)撞機(ji)實驗產(chan)生的(de)數(shu)(shu)(shu)據(ju),將通(tong)過歐洲(zhou)粒(li)子(zi)物理(li)研究所記(ji)錄在磁帶進行原(yuan)始文(wen)件備份(fen)后,再分發到世界各地。經過初始加工,這種數(shu)(shu)(shu)據(ju)將被傳送(song)到可(ke)為大(da)量數(shu)(shu)(shu)據(ju)提供(gong)充足(zu)儲存空間的(de)一系列(lie)大(da)型(xing)(xing)計(ji)(ji)算機(ji)中(zhong)心(xin),這些計(ji)(ji)算機(ji)中(zhong)心(xin)一天二十四小時不(bu)停地為大(da)型(xing)(xing)強子(zi)對(dui)撞機(ji)計(ji)(ji)算網格提供(gong)服(fu)務。
中國臺(tai)灣也參與其中,負責(ze)其中兩(liang)項重(zhong)要系統(tong)的研發,并處理(li)龐(pang)大(da)實驗(yan)數(shu)(shu)據(ju)。亞洲唯一(yi)的電(dian)腦(nao)中心(xin)就設(she)在(zai)臺(tai)灣的中研院。這(zhe)次臺(tai)灣約(yue)有40名科學家參與這(zhe)項國際實驗(yan),負責(ze)世界上(shang)最大(da)與最重(zhong)的偵測器(qi)研發,而且(qie)處理(li)龐(pang)大(da)實驗(yan)數(shu)(shu)據(ju)所倚賴的「網格電(dian)腦(nao)」就設(she)在(zai)臺(tai)灣的中研院。
經過這(zhe)些(xie)計(ji)算機中(zhong)心的處理,其他設(she)備(bei)(bei)就可使(shi)用這(zhe)些(xie)數據了(le),其他的設(she)備(bei)(bei)每個(ge)都有一個(ge)或(huo)幾個(ge)實施特(te)殊(shu)分析任務的聯合計(ji)算機中(zhong)心組(zu)成。當個(ge)科學家(jia)可通過大學部門的局域網(wang)或(huo)個(ge)人(ren)電腦了(le)解這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)(bei),這(zhe)些(xie)人(ren)可能會經常查看大型強(qiang)子對撞(zhuang)機計(ji)算網(wang)格。
2014年7月,中國北京高(gao)能物理研究所正在籌備(bei)一個兩倍于(yu)LHC的環形粒子對(dui)撞(zhuang)機(ji)。
中(zhong)國將要修建的對(dui)(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)機(ji)(ji)周長達到了52公里,對(dui)(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)能量(liang)高達70 TeV。按計劃,中(zhong)國的對(dui)(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)機(ji)(ji)將在初期階段只針對(dui)(dui)(dui)電(dian)子,且對(dui)(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)能量(liang)僅有能量(liang)240 GeV,而(er)后期則逐漸(jian)開足(zu)馬力進(jin)行質(zhi)子對(dui)(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)。
預(yu)計中(zhong)國(guo)(guo)的對撞機(ji)將在2028年投入使用,耗資(zi)30億美元,目(mu)前尚不(bu)清楚這是(shi)否是(shi)一個與(yu)國(guo)(guo)外同行攜手進行的聯(lian)合(he)項目(mu)。