米老鼠64 / 杂记 / 世界需要对撞机

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世界需要对撞机

2013-09-30  米老鼠64

1927年,年方25岁的奥斯陆人、电气工程专业的罗尔夫?维德罗(Rolf Wider?e,1902~1996)正在德国亚琛工业大学苦读,攻拿他的博士学位。这个有着良好工科感觉的年轻人当时正面临一个困境——他没有造出自己理论中预言的电子感应加速器,以至于论文得不到导师的通过准许,眼看毕业无望。这个时候,是瑞典科学家古斯塔夫?伊辛(Gustaf Ising,1883~1960)的理论挽救了他——后者在1924年左右提出了一种利用利用漂移管上加高频电压来加速粒子的方法——在此基础上维德罗造出了世界上第一个直线加速器,终于也写出了他的毕业论文。

稀里糊涂,做一回“对撞机之父”

这项工作是在核物理研究进入关键阶段的历史大背景上完成的,因此意义非凡。1919年,英国科学家厄内斯特?卢瑟福(Ernest Rutherford,1871~1937)用天然放射源中的高速α粒子束作为“炮弹”轰击金属箔,实现了人类科学史上第一次人工核反应,发现了质子,从此之后人们寻求更高能量粒子来作为“炮弹”、求搞清原子核内部复杂结构的决心一发不可收拾。但在1928年之前,实验室中用于加速粒子的主要设备是变压器和整流器、冲击产生器、静电产生器、特斯拉线圈等,全都是高电压环境,对绝缘的要求特别严苛。受绝缘材料所限,粒子产生的速度也非常有限,直到美国加州大学伯克利分校的物理副教授厄内斯特?劳伦斯(Ernest Lawrence,1901~1958)读到维德罗的文章那一刻,这个问题才迎刃而解。劳氏后因发明能够大大提升粒子速度的回旋加速器而获得1939年诺贝尔物理奖,不过这个奖因为二战的缘故,一直推迟到1951年才颁发,在领奖演说中他非常诚实地提到维德罗对自己的启发:

“1929年初的一个晚上,当我正在大学图书馆浏览期刊时,无意中发现在一本德文电气工程杂志上有一篇维德罗的论文,讨论正离子的多次加速问题。我读德文不太容易,只能看看插图和仪器照片。从文章中列出的各项数据,我就明确了他处理这个问题的一般方法,即在连成一条线的圆柱形电极上加一适当的无线电频率振荡电压,以使正离子得到多次加速。这一新思想立即使我感到找着了真正的答案,解答了我一直在寻找的加速正离子的技术问题。我没有更进一步阅读这篇文章,马上停下来估算把质子加速到一百万电子伏的直线加速器一般特性该是怎样。简单计算表明,加速器的管路要好几米长,这样的长度在当时作为实验室之用已是过于庞大了。于是我就问自己这样的问题:不用直线上那许多圆柱形电极,可不可以靠适当的磁场装置,只用两个电极,让正离子一次一次地来往于电极之间?再稍加分析,证明均匀磁场恰好有合适的特性,在磁场中转圈的离子,其角速度与能量无关。这样它们就可以以某一频率与一振荡电场共振,在适当的空心电极之间来回转圈。这个频率后来叫做‘回旋频率’。”

【厄内斯特?劳伦斯】

维德罗在1943年申请了一项“对撞存储环”专利,1945年又提交了一个完整的“同步加速器原理”专利,这个生前基本上默默无闻、本分地教书做实验的物理学家和发明家在身后被人誉为“对撞机之父”。他也许不会想到,自己当年已经伸手拉开了一场场轰轰烈烈的粒子对撞大戏之序幕,只可惜,同时代的人们没有注意到他这个动作。

费米的梦想太烧钱,怎样才能少烧一点?

对撞,指的是让高速的带电粒子迎头碰上,对当代物理而言,这是一种重要的探索手段。不过早期的物理学家包括劳伦斯在内都未曾意识到“对撞”概念的高妙所在,他们在很长一段时间内延续了卢瑟福的做法——用高速粒子去轰击一块静止的“靶”,然后研究所产生次级粒子的动量、方向、电荷、数量等。自卢瑟福轰开氮核以来,世界诞生了一门新学科:原子物理。它的出现是为了向人们揭示宇宙间所有物质与能量的基本要素,从事这个行当的研究者都深深地执着于用某种方式把原子打碎再打碎,以求向微观再微观挺进。要达到这个目的,就非得借助高能量加速器不可,它所提供的能够有效打碎粒子的能量被称为质心系能量,劳伦斯的机器虽然能够提供超过天然放射源的能量水平(20兆电子伏),但还远远不够。1945年,前苏联科学家和美国科学家各自独立发现了自动稳相原理,基于此原理,一系列能够突破回旋加速器能量限制的新型稳相加速器又诞生了,但若想继续提高能量,还是受到了所用磁铁的重量和造价所限。很快地,7年后,强聚焦原理的发现使得真空盒尺寸和磁铁的造价大大降低,加速器有了向更高能量发展的可能。美国劳伦斯国家实验室1954年建成弱聚焦质子同步加速器能量达到了62亿电子伏,而1960年布鲁克海文国家实验室的强聚焦质子同步加速器则提高到了330亿电子伏。

这对于人们揭开微观世界更真实一面所需的能量来说,还是远远不够的。比如说,著名的意大利物理学家恩里科?费米(Enrico Fermi,1901~1954)在去世那年提出了一个质心系能量为3万亿电子伏的加速器的梦想,根据计算,倘若采用束流与静止靶中的质子相互作用的方式,这台同步加速器的偏转半径约为 8千公里,比地球半径还要大,当时估出造价为1700亿美元,需40年建成。显然,造这么个东西会被地球人民用唾沫淹死的。

【恩里科?费米】

终于,1960年,奥地利人布鲁诺?陶歇克(Bruno Touschek,1921~1978)把对撞原理搬到了台面上,实验物理学家们犹如醍醐灌顶,纷纷感叹觉悟得太晚——很显然嘛,用一辆开着的车去撞一辆静止的车,怎么能比得上让两辆对开的车迎头相碰来得过瘾呢?

1962年,意大利Frascati国家实验室建成了直径约1米的AdA对撞机。

现代高能加速器基本都以对撞机的形式出现,对撞机把产生高能反应的等效能量从万亿电子伏能又提高了3个数量级。自世界上建造第一台加速器以来,70多年之中,加速器所能提供的能量大致提高了9个数量级,同时每单位能量的造价降低了约4个数量级,如此发展速度在所有科学领域都堪称罕见。随着加速器能量不断提高,人类对微观物质世界的认识也逐步深入,世界各国迄今已经建造了27个大型对撞机,粒子物理研究在20世纪50~80年代经历了一个黄金时期。几乎每隔一段日子,就会有实验室中会冲出大呼小叫的几个人:我们发现了XX子啦!

LHC能干啥?以及,LHC想干啥?

毫无疑问,过去两年多时间里,欧洲核子中心(CERN)在法瑞边境建造的大型强子对撞机(LHC)成为了整个世界的瞩目焦点,不仅科研界,甚至媒体界和娱乐界也对其青眼有加。这个大家伙到底用来什么?我们不妨来看看它的两个大型探测器和两个中型探测器被赋予了什么任务:紧凑型μ子螺旋磁场探测器简称CMS,用于寻找希格斯玻色子(这种粒子能够解释为什么宇宙中的所有物质都有质量,是粒子标准模型中迄今唯一没有找到的一种)、额外维度以及暗物质粒子;环型LHC实验探测器简称ALICE,是一个有望观察到类似于大爆炸后宇宙初期形态的部分;超环面仪器简称ATLAS,实验目的与CMS一样,但两者磁铁系统采用了完全不同的技术和设计;LHC底夸克探测器简称LHCb,目标是探索物质和反物质之间微小差别,主要研究CP破坏,探测高能区的新物理现象,将有助于我们理解为何自己生活在一个几乎完全由物质而非反物质构成的宇宙。

从LHC身上,大致可以看出物理学家眼巴巴求的是什么,他们致力于找到如下问题的答案:物质是如何获得质量的?宇宙不可见的96%是什么?为什么自然界中几乎只有正物质,反物质去了哪里?自宇宙诞生以来物质如何演化?

事实上,帮助解开这些问号的工具绝非区区一个LHC而已,其他对撞机能起到的作用也不容忽视。

对手也是帮手,梦想可能是幻想

先从Tevatron谈起吧,它是LHC之前的世界最高能量质子对撞机,费米实验室的物理学家们为了找到顶夸克于1979年建造了这台机器,在一个6.3公里长的地下环中将质子与反质子加速,并使它们发生对撞。夸克是构成质子、中子、介子等亚原子粒子的基本单元,其中顶夸克和底夸克是质量最大的,底夸克由费米实验室利用原有的环状加速器在1977年发现,而要想找到顶夸克,必须把质子和反质子的能量提高5~15亿电子伏,由此促成了这台新机器的诞生。1995年,Tevatron不负众望捕获到了顶夸克的踪迹,这成为其运转历程中的辉煌一笔,但很快地,它能否进一步发展却受到了质疑。特别是在更高能量的LHC开始筹建之后,能不能先于LHC找到希格斯玻色子几乎成了它唯一的目标所系。美国政府在2001年花了数亿美金对Tevatron进行了升级,去年又宣布让它运行到2011年,这一切都表明了美国人不甘被欧洲人甩下的决心,并且他们也不断爆出“叫板”言行。2007年年初,费米实验室宣布了一项针对亚原子粒子——W玻色子的质量测量,新数据与之前估计相符,但是更趋向于该范围的上限。这项工作同时降低了人们对希格斯玻色子质量的预测值,由此,该粒子的能量上限从1660亿电子伏降到1530亿电子伏,这一结果让Tevatron科学家们重新相信自己有机会找到希格斯玻色子。2008年10月,他们又放出消息称,Tevatron运行过程中出现了一群不知从何而来的神秘粒子,即一些多余的μ子(电子的“亲属”,比电子重),可能性之一是它们来自一个更重的、仍未被发现的粒子的衰变,这种粒子或与占宇宙85%的暗物质有关。另一解释来自弦理论,弦理论认为宇宙是10维的,更高维度的“膜”表面居住着像弦一样的粒子,与3维空间的联系并不密切,因此在数据中会出现一些模糊信息。无论如何,这两种解释都有新物理的意味在内,深深地表明了Tevatron 一家的姿态:我们老则老矣,尚能饭。

这里再讲一桩憾事,其实早在1993年,美国国会曾停止了一项继续投建超导超级对撞机SSC的计划,这个流产的对撞机预期能量达到了40万亿电子伏,达到了LHC承诺的3倍以上,而在中止的时候它已经花去了20亿美元。直至今日,很多人提到SSC还忍不住扼腕叹息。

【Tevatron】

【RHIC】

另一个值得关注的对撞机是美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机RHIC,这台建成于1999年的机器是目前世界上唯一的一台重离子对撞机,它可以让从质子直到金离子的各种离子分别在两个独立超导储存环中积累、加速、储存,并在六个对撞点交叉对撞,旨在重现宇宙大爆炸后的早期现象,研究重离子对撞后产生的夸克-胶子等离子体等复杂的现象。在现有物质中,夸克被约束在质子和中子内,无法被独立观察到,模型预测夸克-胶子等离子体宇宙大爆炸后仅几微秒内存在的一种物质。RHIC从2000年6月起让金原子核以接近光速相撞,希望通过如此方式产生巨大能量和温度来“融解”质子和中子,使夸克以自由形态得以释放。2005年4月,在RHIC上开展实验的四个合作探测器组对外发表报道称,他们制造出了一种新的热密度物质态——不像预期的自由夸克和胶子的气体那样飞散,而看起来更像一种“完美的”液体。这是不是就是早期宇宙的状态呢?

LHC让Tevatron感到日子不好过,而另一个在酝酿中的对撞机也让LHC非常有紧迫感,那就是ILC。LHC研究的是质子对撞,因为质子是夸克组成的,所以注定了这种对撞不“干净”,无法确定对撞时每个夸克各携带了多少能量,难以确定对撞所产生新粒子的性质,所以即便LHC找到了希格斯玻色子,也只能去通过更精密的机器才能去确定它的重要属性,对于科学家来说,这些宝贵信息值得付出高额代价去换取。价码?他们开出了67亿美元——这是建造一台让正负电子在其中对撞的直线对撞机的最低起价。为什么选用电子呢?因为电子本身就是不可再分的基本粒子,其对撞时携带的能量可以精确测定。世界上第一台直线对撞机是美国斯坦福直线加速器中心的SLC(能量不是很高),在这以后,多个直线对撞机方案被设计出来,形成了低温超导和常温常规两种加速结构之争,2004年在北京举行的第27届国际高能物理大会上,低温超导方确定无疑地胜出了。据称,国际直线对撞机ILC将建造在总长约40公里的地下隧道中,由两台大型超导直线加速器分别将正负电子加速到2500亿电子伏的能量,对撞时质心系能量达到5000亿电子伏,以后还将扩展到1万亿电子伏。就ILC而言,构成最大悬念的问题在于:建在哪儿?看起来这庞大而昂贵的家伙还是很抢手的,CERN、费米实验室和日本高能加速器研究机构KEK均表现出了极大兴趣,俄罗斯和英国跃跃欲试,甚至一些中国科学家也提议说来吧让咱们来,不过,很有可能只是一个美丽的幻想而已。

感谢松鼠Sheldon提供几处修改意见。

本文已发表于《科幻世界》,有删改。

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