科學(xué)家通俗解讀世界最大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī):尋找占宇宙成分96%的暗物質(zhì)暗能量
我國(guó)科學(xué)家參與的國(guó)際性大科學(xué)工程之一——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)今日對(duì)撞成功。本報(bào)記者第一時(shí)間連線中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所相關(guān)專家，通俗解讀大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的重要意義。
歐洲核子研究中心宣布，3月30日日內(nèi)瓦時(shí)間13點(diǎn)06分(北京時(shí)間19點(diǎn)06分),跨越日內(nèi)瓦市郊、瑞士和法國(guó)邊界的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)上，總能量為7萬億電子伏特的兩個(gè)束流對(duì)撞成功。這次迄今為止世界上能量最高的對(duì)撞，標(biāo)志著大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)物理研究的啟動(dòng)，拉開了粒子物理新時(shí)代的序幕，人類開始尋找占宇宙成分96%的暗物質(zhì)和暗能量。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)創(chuàng)造的科學(xué)之最
中科院高能物理研究所研究員陳國(guó)明介紹說，這一世界上最大的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，建在周長(zhǎng)為27公里、埋入地下50到175米處的環(huán)形隧道中。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是對(duì)撞兩個(gè)反向回旋的質(zhì)子束流，總能量高達(dá)14萬億伏特。這次實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)達(dá)到的能量是設(shè)計(jì)目標(biāo)的一半。根據(jù)科學(xué)家們的設(shè)定，每個(gè)質(zhì)子的能量為3.5萬億電子伏特。質(zhì)子的速度是光速的99.999995%(比光速慢億分之五)。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的隧道里安放了四個(gè)探測(cè)器CMS(緊湊繆子線圈)、ATLAS(超環(huán)面儀器)、LHCb(底夸克探測(cè)器)和ALICE(大型離子對(duì)撞機(jī))?？茖W(xué)家們希望通過這些探測(cè)器，在能量為數(shù)萬億電子伏特質(zhì)子對(duì)撞中發(fā)現(xiàn)有意義的新物理。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)創(chuàng)造了許多科學(xué)之最。超環(huán)面儀器是世界上最大的探測(cè)器，有半個(gè)巴黎圣母院大。緊湊繆子線圈是世界上最重的探測(cè)器，鐵的使用量比埃菲爾鐵塔還多。它采用的圓柱形超導(dǎo)電纜線圈是世界上最大的超導(dǎo)線圈，可產(chǎn)生4萬高斯的磁場(chǎng)，相當(dāng)于地球磁場(chǎng)的10萬倍。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)揭開物理學(xué)新紀(jì)元
緊湊繆子線圈、超環(huán)面儀器兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的物理目標(biāo)是尋找希格斯粒子(Higgs)、額外維度和宇宙中神秘的暗物質(zhì)。希格斯是一種理論上預(yù)言的新粒子，它能解釋其他粒子的質(zhì)量起源。
LHCb實(shí)驗(yàn)將幫助我們了解為什么宇宙中反物質(zhì)不可思議地缺少。它通過研究“底夸克”粒子，專門對(duì)物質(zhì)和反物質(zhì)之間的微妙差異展開調(diào)查。
大型離子對(duì)撞機(jī)則是重離子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)。鉛離子對(duì)撞后，在實(shí)驗(yàn)條件下重建“大爆炸”后的宇宙初期形態(tài)，撞擊時(shí)產(chǎn)生的高溫將是太陽內(nèi)部溫度的10萬倍。物理學(xué)家希望看到的是，質(zhì)子和中子會(huì)在這種高溫條件下“熔化”，并釋放被膠子束縛的夸克。
陳國(guó)明認(rèn)為，LHC將揭開物理學(xué)的新紀(jì)元?！吧鲜兰o(jì)初，牛頓理論看似完美，幾乎可以解釋一切，只有邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)和黑體輻射實(shí)驗(yàn)得不到解釋。在當(dāng)時(shí)這被稱為美麗天空中飄著的兩朵烏云。正是這兩朵烏云導(dǎo)致了相對(duì)論和量子力學(xué)的誕生，引起了一場(chǎng)科學(xué)革命?！苯裉?，相對(duì)論和量子力學(xué)也不再完美，“現(xiàn)在對(duì)宇宙的觀測(cè)表明，物理學(xué)能解釋的僅占宇宙成分的4%，其余96%由暗物質(zhì)和暗能量構(gòu)成，它們的本質(zhì)我們?nèi)徊恢＿@是一朵更大的烏云。如果大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能夠找到暗物質(zhì)，將引起科學(xué)的另一次革命，從而揭開物理學(xué)的新紀(jì)元。”
我國(guó)科學(xué)家參與其中
此次對(duì)撞成功后，歐洲核子研究中心將連續(xù)運(yùn)行LHC18到24個(gè)月，以便為L(zhǎng)HC上面的各個(gè)實(shí)驗(yàn)提供足夠的數(shù)據(jù)來進(jìn)行物理研究。各個(gè)實(shí)驗(yàn)將先找到那些已知的標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子，然后去尋找Higgs粒子和超對(duì)稱粒子。歐洲核子中心專家解釋說，如果Higgs粒子的質(zhì)量在160GeV(單位，十億電子伏特)附近，那么ATALS和CMS實(shí)驗(yàn)就有可能用這一段時(shí)間所取得的數(shù)據(jù)找到Higgs粒子，如果太輕或太重則不太可能在今后的24個(gè)月當(dāng)中被發(fā)現(xiàn)。對(duì)于超對(duì)稱粒子，如果它的質(zhì)量小于800GeV，則能在今后的兩年內(nèi)被發(fā)現(xiàn)。
陳國(guó)明是CMS實(shí)驗(yàn)中國(guó)組物理研究負(fù)責(zé)人，他介紹說，中國(guó)是參加CMS實(shí)驗(yàn)的40多個(gè)國(guó)家之一,有四家科研單位參與了CMS實(shí)驗(yàn)?！爸袊?guó)科學(xué)院高能物理研究所和北京大學(xué)組成的CMS中國(guó)組成功地建造了三分之一的端部繆子探測(cè)器陰極條室和阻性板室，并參與擬定了技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)告。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所向CMS提供了核心探測(cè)材料——用于電磁量能器的5000余根自主研制的鎢酸鉛閃爍晶體。中國(guó)科技大學(xué)參與了電磁能量器的研制。設(shè)于高能所的CMS遠(yuǎn)程控制中心，將與在CERN和美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室一起輪班承擔(dān)CMS實(shí)驗(yàn)的一部分實(shí)時(shí)監(jiān)控工作?！?/p>
中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所金山研究員是ATLAS中國(guó)組的負(fù)責(zé)人。他說，ATLAS中國(guó)組包括中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、山東大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)和南京大學(xué)?！癈MS與ATLAS目的幾乎一致，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以互相檢測(cè)和印證。”目前，CMS與ATLAS實(shí)驗(yàn)的中國(guó)科學(xué)家正積極參與探測(cè)器日常運(yùn)行值班和非常復(fù)雜的模擬數(shù)據(jù)分析。
中國(guó)科學(xué)家參與的另一項(xiàng)重要工作就是LHC數(shù)據(jù)分析的網(wǎng)格平臺(tái)。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所計(jì)算中心主任陳剛研究員介紹說，對(duì)撞會(huì)產(chǎn)生很多粒子，這些粒子被探測(cè)器捕捉和記錄，這些數(shù)據(jù)反饋到計(jì)算機(jī)上經(jīng)過事例重建、物理模擬、物理分析等計(jì)算過程才能得到結(jié)果?！斑@是一個(gè)龐大的計(jì)算量。如果把LHC一年獲得的數(shù)據(jù)刻成光盤，能夠壘起20公里的高塔，需要10萬個(gè)CPU分秒不停計(jì)算一年?！标悇傉f：“這是任何一個(gè)國(guó)家都無法獨(dú)立完成的任務(wù)，因此全球科學(xué)家聯(lián)合起來建立了網(wǎng)格平臺(tái)，中國(guó)是其中之一?！?/p>
這一階段的運(yùn)行過后，LHC將關(guān)機(jī)進(jìn)行徹底的修理，為14萬億電子伏特對(duì)撞作準(zhǔn)備。歐洲核子中心的所長(zhǎng)Heuer說，“兩年的連續(xù)運(yùn)行是一個(gè)離譜的要求，但這個(gè)努力是值得的，這可以補(bǔ)償前次的失敗所失去的時(shí)間，使物理學(xué)家們可以有機(jī)會(huì)做出他們的成果?！?/p>
記者 齊芳
(本報(bào)北京3月30日電)
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