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地下对撞:只为“撞”见“上帝粒子”

2010-04-11  金牛腾飞
地下对撞:只为“撞”见“上帝粒子”
时间: 2010-04-11 08:06:06 来源: 深圳特区报  发表评论>>
关键词: 对撞点 上帝粒子 希格斯玻色子 质子束 科学家

内容摘要: 也有些人甚至有部分科学家担心,大型强子对撞机对撞所形成的黑洞可能会毁掉地球。再现大爆炸:在大型离子对撞机实验中,重铅核子将进行对撞,产生10万倍于太阳中部的温度,进而形成一个大爆炸后瞬间存在的微型版的“原始汤”。

  ATLAS探测器:围绕核心交互点的一组超大圆筒。交互点正是强子束发生碰撞的地方。

位于日内瓦附近地下隧道中的欧洲大型强子对撞机大型磁铁。

对撞实验发生在日内瓦附近百米深处的地下隧道。

欧洲核子研究中心科学家举杯庆祝对撞成功。

欧洲大型强子对撞机控制中心现场。

压缩μ子螺旋型磁谱仪。

欧洲大型强子对撞机工作原理示意图。地下环形隧道长约27公里。

质子束流的对撞。

  在科幻电影和小说中,黑洞可以捕获粗心大意的飞船和行星,可以吞噬整个星系,或者为宇宙的其他部分提供入口。在这些描述的启示下,物理学家们研制出大型强子对撞机(LHC),人类终于有了一个强大到可以制造“迷你黑洞”的机器。科学家们相信,他们可以通过这样的对撞发现希格斯玻色子――“上帝粒子”。

  科学家们认为,正是这种“上帝粒子”赋予宇宙万物以质量。发现和证实“上帝粒子”存在是大型强子对撞机现阶段的首要任务。3月30日,LHC“首撞”成功,有包括中国在内的80多个国家和地区的7000多名科学家参与了LHC的相关实验项目。

  然而,也有些人甚至有部分科学家担心,大型强子对撞机对撞所形成的黑洞可能会毁掉地球。

  LHC成功进行首次高能质子束对撞,就此宣告一个物理学新时代黎明的到来。支持和反对强子对撞机项目的两大阵营仍在激烈交锋。问题是,大型强子对撞机制造的“迷你黑洞”是否真的会毁掉地球科学家们为何一定要上这个项目呢?

  地下百米深处最昂贵的科学设施

  大型强子对撞机(LHC)是世界最大的粒子加速器,项目投资达39亿欧元(约合56亿美元),位于日内瓦附近瑞士和法国交界地区地下100米深处、总长17英里(约合27公里)的环形隧道内。建造LHC的主要目的是寻找暗物质等现象,最终揭开宇宙形成之谜。

  它是世界上最大、最昂贵的科学设施,科学家希望利用它揭开希格斯玻色子的庐山真面目。希格斯玻色子的特性难以捉摸,被称为“上帝粒子”,科学家认为它是物质的质量之源。苏格兰物理学家彼得?希格斯在30年前曾表示,希格斯玻色子或许能解释物质如何聚在一起,创造宇宙及宇宙万物。只要它确实存在,物理学家利用大型强子对撞机对撞,发现它的几率将相当大。

  这台对撞机旨在推动以相反方向高能运转的粒子撞击。数十亿次撞击将产生大量数据,供欧洲核子研究中心和全球各地一万名科学家研究和分析,每一次撞击都会产生类似于137亿年前宇宙大爆炸发生瞬间的状态,有助人类进一步探索宇宙起源之谜。宇宙大爆炸喷射的物质最终形成了恒星、行星和地球生命,但希格斯理论认为,只有在希格斯玻色子这样的粒子将物质聚集在一起,赋予其质量,上述一幕才有可能发生。

  大型强子对撞机项目可谓一波三折。2008年,对撞机在能量较低的情况下启动,运转10天之后便因冷冻剂泄漏事故不得不关闭。经过长达一年的修复和认真准备后重新启动,并于今年3月30日首次成功进行了高能质子束对撞。

  “进入任何人都未曾进入的领域”

  质子束对撞实验于3月30日凌晨5点开始,过去的失败尝试让科学家的神经紧张到极点。终于对撞成功后,现场科学家爆发出一片欢呼声,他们相互庆祝,兴奋之情溢于言表。在对撞图像传回4个对撞机控制室之后,来自多个国家、年龄悬殊的物理学家们激动地拥抱在一起,他们欢呼雀跃,打开香槟酒进行庆祝。挪威物理学家海蒂?桑达克带着自己的宝宝投入工作。在对撞发生时,她的孩子也见证了这一重要时刻。

  经过几十年的艰苦努力以及在最近一年屡屡受挫之后,质子束终于在2010年3月30日英国夏令时午后首次对撞在一起。虽然比预定计划晚了整整5个小时,但仍在欧洲核子研究组织(以下简称CERN)的科学家预计中的时间范围内。

  全世界的科学家通过现场直播观看了对撞实验,他们将第三次对撞尝试称之为一个“历史时刻”,标志着人类朝着揭开物理学最大谜团的道路迈出了第一步。CERN资深科学家奥利弗?布赫姆勒说:“我们正进入一个此前任何人都未曾进入的领域。我们开辟了物理学的一个新的疆域。”

  在此次对撞实验中,原子粒子正面撞击,每一个质子束携带3.5万亿电子伏能量,是此前纪录的3倍。通过进行超高能量对撞,科学家可以重建大爆炸发生后瞬间的初期宇宙形态。十几天前,两个质子束开始在地下17英里长的环形隧道内沿相反方向高速移动。

  “物理学的酒杯很快就会被填满”

  大型离子对撞机(Alice)实验是强子对撞机进行的其中一项实验。这项实验的发言人尤尔根?斯库克拉夫特表示:“100年后,我们最终站到让物理学发生一场变革的边缘。大型强子对撞机似乎是解答一系列疑问的关键。”

  由于要与日本科学大臣会晤,CERN总干事罗尔夫?霍尔教授及其副手塞吉奥?贝托鲁奇并没有前往现场,见证质子束对撞这一历史时刻。身在东京大学的霍尔通过视频发表讲话,当时他的身边放着一瓶葡萄酒,手里则端着一个酒杯。他说:“这瓶酒是1991年买的,那一年,我们签约启动大型强子对撞机项目。现在,这瓶酒已经空了,但物理学的酒杯很快就会被填满。”

  随着成功对撞的消息宣布,参与指导对撞机项目的科学家最终松了一口气并陷入兴奋之中。很多人从29日晚上一直工作到30日凌晨,以确保所有设备正常运转。为了此次对撞,比利时鲁汶大学物理学家克里斯托夫?德拉莱教授连续工作时间超过24个小时。他说:“这真的是一个非常令人兴奋的时刻。”

  大型强子对撞机主要构造

  内部跟踪系统(ITS):是由硅探测器围成一个6层的圆筒,将对撞点裹在里面,用它测量合成粒子的特性和准确位置,还可能在这里发现含有重夸克的粒子。

  超导环场探测器(ATLAS):长44米,直径25米,重约7000吨。超导环场探测器是一个亚原子粒子探测器,是自1930年加州大学的劳伦斯建立回旋加速器后最大而且建造最复杂的环场探测器。质子束在探测器中心碰撞时,这里测量到的信号可能是最强的。

  压缩μ子螺旋型磁谱仪(CMS):它是大型强子对撞机上安装的两个大型通用粒子物理探测器中的一个。压缩μ子螺旋型磁谱仪包含大型强子对撞机的“交互点”,这是一个非常重要的位置,大型强子对撞机里反向旋转的两个光束里的质子,正是在这个地方撞在一起。

  一周制造千万次“宇宙大爆炸”

  首次对撞成功,无疑开了一个好头,可在接下来的时间里,人们都在期待,希望听到更多关于对撞的最新进展。4月7日,CERN的物理学家对外宣布,从3月30日到4月6日,大型强子对撞机在高能运行的第一周共制造了1000万次迷你“宇宙大爆炸”。要探究宇宙的一系列秘密,制造这样的迷你爆炸是必不可少的一步。

  CERN发言人詹姆斯?吉利斯称,位于地下的强子对撞机运转十分正常。微型粒子会在对撞机内以接近光速的速度对撞。吉利斯说:“一切进行得非常顺利。我们将获取大量数据,需要全世界的实验室投入分析工作。我们需要数月甚至数年时间才能发现真正意义上的新东西。”

  CERN官员希望对撞机在高能运转情况下度过最初的两周。目前,科学家正密切关注对撞机所在的位于日内瓦附近瑞法交界地区地下的17英里环形隧道。他们表示,当前记录的每秒对撞次数为100次,是上周第一次高能运转时的两倍。

  对撞能够产生迷你“大爆炸”。137亿年前的大爆炸造就了整个宇宙,星系、恒星、行星、生命以及物理学基本定律都源于这场爆炸。通过跟踪粒子对撞后的活动,CERN研究人员希望能够揭开宇宙的一系列秘密,例如暗物质的构成,物质为何拥有质量以及是否存在除已知4个维度外的更多维度。

  对撞能否让“上帝粒子”现形

  爱尔兰网络博彩公司Paddy Power 已开出盘口,赌强子对撞机实验上演的第一个发现可能是什么。暗物质的赔率为11比10,黑洞为8比1、暗能量为12比1。除此之外,科学家还有可能通过对撞揭开其他的宇宙之谜。

  暗物质:暗物质是物质的一种奇异形态。这种奇怪的物质在宇宙中的比重超过正常物质,但我们无法在地球上对它们进行观测。虽然无法直接观测到暗物质的存在,但科学家可以观测到它们的引力效应。1934年,科学家第一次提出存在暗物质这种假设,充当星系“质量短缺”的一个证据。据信,暗物质在构成宇宙的所有物质中所占比重为四分之三左右。迄今为止,科学家只在实验中发现暗物质存在线索。

  希格斯玻色子:希格斯玻色子是大型强子对撞机重点寻找的粒子,能够解释质量的来源。1964年,彼得?希格斯第一次提出希格斯玻色子的存在。希格斯玻色子经常被称之为“上帝粒子”,科学家认为正是这种粒子赋予宇宙万物以质量。但这种粒子只存在于理论中,科学家从未在实际研究中观测到它的踪影。

  超对称性:超对称性理论认为,宇宙中的每一个粒子都拥有一个与之相对称并且更重的“双胞胎兄弟”。这是一项极好的理论,但能够支撑这一理论的证据却少得可怜。

  再现大爆炸:在大型离子对撞机实验中,重铅核子将进行对撞,产生10万倍于太阳中部的温度,进而形成一个大爆炸后瞬间存在的微型版的“原始汤”。

  额外维度:我们生活在三维空间,但物理学家认为可能存在10个或者26个维度,只是无法被我们的肉眼观察到。

  基本粒子:大型强子对撞机是世界上能量最高的粒子加速器,有可能发现粒子中的夸克。夸克目前只是一种理论上的构成强子的粒子。

  以上这几大未解之谜哪怕解开一个,都将是物理学上的重大突破。所以,对撞机成功进行对撞实验具有非常重大的意义,可以与工业革命、人类进入电气和核能时代以及牛顿、爱迪生和爱因斯坦所取得的伟大成就相提并论。

  “迷你黑洞”

  会毁掉地球吗

  牛津大学物理系的奇戴姆?艾瑟威尔表示:“2003年,作为粒子物理学家的我对黑洞产生了兴趣,因为更多维的模型显示,高能宇宙射线甚至粒子加速器里都有可能产生黑洞。如果我们真能生成这种物体,我们就能够通过实验,更好地了解量子引力效应。”她希望通过研究黑洞,可以得出一个公式化的量子引力理论:把爱因斯坦的广义相对论(从宏观上描述了引力)与量子力学(从微观角度描述了物理学)嫁接在一起。

  大型强子对撞机是质子与质子相撞。这些质子由更小的成分构成,即所谓的“部分子”,事实上它们才是大型强子对撞机里正在相撞的粒子。奇戴姆解释说:“常规物理模型中,两个质子相撞根本不会产生黑洞。然而也有模型显示,在非常小的距离内引力会变得异常大。如果这种猜测属实,大型强子对撞机里两个质子相撞,彼此穿过对方,并非没有可能。如果真是这样,我们或许可以生成一个微型黑洞。”

  这些“迷你黑洞”是什么样的?我们应该担心它们吗?奇戴姆告诉我说:“据著名天体物理学家史蒂芬?霍金说,事实上它们不会那么黑暗。随着黑色天体不断辐射波谱,它们最终会消失。它们的消失速度与黑洞的质量成反比。庞大黑洞的质量非常大,它们的消失速度可以忽略不计。与之相比,‘迷你黑洞’非常热:热得令人难以置信。我们太阳的核心大约有1500万开氏温标,然而它要想赶上‘迷你黑洞’的温度,你必须再在这个数字后面添加42个零。这种令人难以置信的高温意味着‘迷你黑洞’会很快消失在它们周围温度更低的太空里。它们的潜在寿命大约是一亿分之一秒的一千的九次方分之一。因此它们产生后会在刹那间消失。”

  如果它们果真出现了,它们会立刻变成很多小粒子,利用ATLAS探测器可以发现它们。奇戴姆说:“这些粒子将拥有非常惊人的特征。储存在探测器里的总能量大约是几兆电子伏特,终态粒子的数量会非常大。利用其他新物理学几乎无法模拟黑洞的特征,如果它们果真产生了,我们就不会错过它们。”

  毫无疑问,即使这样的“迷你黑洞”真的形成了,它也不会毁灭地球,只会帮助科学家更好地了解宇宙。


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