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科技日报:寻找传说中的粒子

http://www.sina.com.cn  2008年09月11日 11:35  科技日报

  本报记者 张梦然

  2008年6月16日,欧核中心的工作人员将LHC的最后一节ATLAS探测器的传送管安装就绪。这一庞大的部件重达百吨,在今年的2月29日便开始安装。

  6月20日,欧核中心的第147次会议,其官方网站上发布了LHC已进入启动前的最后准备工作。

  8月7日,LHC的首次启动时间确定。8月11日,第一次同步测试宣布成功。

  8月25日,第二次也是最终同步测试成功。

  9月5日,对撞前夕,欧核中心再次申明LHC的安全性。

  9月10日,15点30分(格林威治标准时间10日7时30分),第一批质子注入对撞机并加速……

  这是LHC启动前的86天。此前,它的建造用了近10年。除去铺设构造的浩大工程外,构成其整体的八个部分还必须在启动前达到高出绝对零度1.9摄氏度的温度,这是LHC运行的必备标准。各部分完成降温后都要进行相应试运行,如果出现问题必须恢复到室温才能进行修理。自2007年1月第一部分开始降温并试转起,反复的升温降温工作也随之展开,LHC正式启动的日程也一再推迟。

  现在,LHC的主体部分位于地下100米深的环形隧道中,精确周长为26.659公里。在其完全启动的那一刻,质子束流将被加速到7TeV(TeV为万亿电子伏特)的超高能量,反方向粒子相互对撞最猛烈时可释放的能量约为2万亿电子伏特。

  这种对撞的实质,其实是夸克和胶子之间的碰撞。在对撞完成后,进行对称性破缺和质量起源课题的研究,必须借助6个巨型探测器:

  7000吨的超环面仪器实验(ATLAS)探测器与1.25万吨紧凑渺子线圈实验(CMS)探测器是两个通用型探测器,用于分析撞击时产生的粒子。

  大型离子对撞机实验(ALICE)探测器重1万吨,甚至通过“谷歌地球”也可以清晰的看到,它协同LHC底夸克实验(LHCb)探测器,还原宇宙大爆炸后瞬间的状态,并对物质和反物质有关的撞击进行分析。

  全截面弹性散射侦测器实验(TOTEM)与LHC前行粒子实验(LHCf)探测器,负责非正面相撞的粒子。它们在所有探测器中最轻量级,但每个重量也有40公斤至20吨。

  造型如此庞大也不是没有理由。以ATLAS探测器为例,需要捕捉和分类每秒10亿次的质子对撞,每一次对撞又会有几百个粒子进人探测器的观察室,留下痕迹或释放能量。这是一步关键之棋,科学家们以此重建质子对撞后的直接后果,并推测对撞瞬间的状态,以及是否会产生那个传说中的粒子。

  20世纪50至60年代,是粒子物理学最差也是最好的时代,许多既往的理论在当时遇到挫折困惑,物理学进入艰难岁月,但这也直接激励着物理学家们构建一个新世界。1954年杨振宁和米尔斯建立了规范场理论,进入60年代,基于杨—米尔斯理论的非阿贝尔规范场理论兴起,建构成为现代的标准模型理论。唯一的缺憾是,标准模型理论并没有描述到重力,而杨—米尔斯理论应用在弱相互作用和强相互作用中,遇到的主要障碍就是质量问题。因此这不是一套万有理论,其尚缺一块基石。

  1964年,苏格兰物理学家彼得·希格斯预言这块基石是最后一种未被发现的粒子。

  以此我们看到无数粒子物理学家的翘首期待,也听到另一面冷静尖刻的声音:如此大型的实验机器,其意义究竟何在,研发单位的目的又何在,投入的资本与回报的价值是否能成正比?LHC,它的每一步的动向犹如不断投向水面的石子,激起的波澜从未平息。

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