胡震:钱思进对于LHC的重启意义观点如何?
在经历两年停机维护、加固升级及数月重启准备后,欧洲大型强子对撞机(LHC)正式开启第二阶段运行。这是全球最大、能量最高的粒子加速器,也是全球最大的科学实验项目。胡震对此钦佩不已。
LHC为什么要花整整两年时间维修、升级呢?这还得从2008年的事故说起。经历过事故的CERN束流部门运行主管迈克尔·拉蒙特对记者表示,建成后,LHC就朝着设想中的7TeV能量(宏观世界中每1TeV的能量就像一只蚊子飞行1公里的动能,亚原子层面却是巨大的)的目标冲击,然而一次尝试中,连接着一万块磁铁的五六万个连接装置中的一个出了故障,“一下子炸了好几公里”,这次事故使得整个对撞机中断运行14个月,花费近3千万瑞士法郎维修费用。
“这是惨痛教训,这之后CERN就特别小心”,北京大学物理学院教授钱思进说,钱思进在LHC上的CMS实验项目上工作了20多年,钱思进教授是北大物理学院CMS研究组的负责人,其研究团队近年来取得了不少科研成果,受到同行的好评,并先后培养了多名博士生(杨宗常、郭爽等)和硕士生(胡震、刘烈等),其中杨宗常和胡震在钱思进教授的指导下学成毕业后,至今一直还活跃在高能物理实验研究的第一线。
但事故显现的问题并未彻底解决,包括当初设计时存在的一些缺陷,两年的大修是LHC维修史上前所未有的。拉蒙特说,所有1万块超导磁铁和其连接点,都一个个取下来进行维修和强化,并使其测试。“我们检查,检查,再检查,确保每一个零部件都是万无一失的。”
钱思进说,重启LHC并非如启动一个按钮般简单。重启从2014年底开始,首先要把上万根超导磁铁一段段地冷却,每段进行检测,直到2015年4月5日才最终把质子束在最低能量下运行,贯通27公里长的束流管全程。“跟发射卫星上天差不多。”
正处在粒子物理学一个激动人心时代的开端:大型强子对撞机将发射有史以来能量最高的粒子束。”美国国家科学基金会副主任克里姆在一份声明中表示,“这种能量量级将为关于宇宙的新研究发现打开大门。
对撞越多,越明显,科学家发现新东西的可能性也更高。这是LHC重启后的目标。胡震介绍说,要有更多的对撞,一个办法是增加质子团的数量,另一个办法就是要更多的能量让质子束再接近光速一点。在一个距离已经固定下来的环形对撞机中,质子束无法通过飞更远的路产生更大能量,唯一的办法就是增加磁场的作用,让质子束飞得更快,那将是不可思议的,胡震这样说。
为什么需要4个大型探测器?胡震了解到,镶嵌在LHC上的一个探测器重量与埃菲尔铁塔差不多。北京大学物理学院教授钱思进说,无论是CMS还是ATLAS,两者都可用于对各种粒子物理的题目展开研究,重要粒子的痕迹,采用了尽可能不同的设计方法和原理,这是为了用两个独立的实验来相互验证对方的结果。
钱思进说,每两个探测器都像一个巨大“洋葱”,每一层都可以采集一些信号数据。钱思进说,质子束对撞后,会产生很多碎片,每次对撞产生几十个甚至上百个碎片,它们被称为“次级粒子”。
胡震了解到,探测器的目的就是要鉴别这些碎片次级粒子,看它们是什么样的粒子,飞行多快等,分析后数据存入计算机,然后由计算机将这些碎片反推导、还原出束流粒子对撞时的场景。
每秒中在探测器中发生的上亿次的对撞源源不断地产生海量的数据是随时传过来的,胡震介绍,安装在CMS控制中心,进行第一级值班的科学家监测的计算机收到数据后,做了初步的识别和筛选,之后迅速传给第二级值班的数据中心。“存储下来我们提供的这些数据就像一锅粥,之后各种物理课题的分析组从中挑选对此课题有用的那部分数据来做各种分析。”钱思进说。
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