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强子对撞机:44亿美元庞然大物的终极追寻

来源:21世纪网-《21世纪经济报道》
2009年12月26日08:34

  2009年12月9日,历经数次开机、停机、维修,LHC(Large Hadron Collider,大型强子对撞机)终于完成了第一次真正意义上的对撞,创造出一个破纪录的能量计数。

  一年多前的2008年夏天,LHC开撞在即之时,“物理世界”网站曾在预热报道中用“香槟时刻”这一说法,意思是说,机器启动之时,就是全球近万名参与其间工作的物理学家拔开香槟酒塞子、举杯相庆的时刻了。

  然而颇具戏剧性的是,一年半过去了,当初这些踌躇满志的人们却变得言辞谨慎起来。比如,他们中对此最有发言权的一位、欧洲核子中心(CERN,这台机器的拥有者)主任罗尔夫·赫尔(Rolf Heuer)就是这么说的:“很了不起,无论如何,我们还是得让它一步步来,在2010年我们开始(下一次运行)之前有很多事情要做,在那之前,我都将把我的香槟存放在冰箱里。”

  世界最高能对撞:好事多磨

  用善意一点的眼光去审视这瓶打开了一半的香槟酒,我们会从中发现一系列证明“好事多磨”的最佳例证。

  1993年,美国众议院否定了超级超导对撞机(SSC)计划。第二年,CERN在圣诞前夕通过了修建LHC的决议,其将成为潜在的具有最大能量的粒子对撞机。从此全世界高能物理研究的期待重心逐渐由美国向欧洲倾斜。

  2005年10月,工程进行中,起重机载货意外掉落,造成一位技术人员丧生,从而给了众人一个说三道四的开端。2007年3月,经过十数年努力,一切准备停当,LHC内部一个三极低温超导磁铁却因设计问题出现了故障,于是主管方不得不下令对同类型的几个磁铁都进行检修,然后一拖再拖,等到2008年9月10日才第一次点燃。

  孰知过了仅仅一个星期,一台冷却系统变压器又发生了故障,第二天工程人员只好匆匆更换了变压器。叫人哭笑不得的是,冷却超导磁铁用的液态氦又马上发生了严重泄漏,占总量约1/3、高达6吨液态氦泄漏到隧道中……

  不得不承认,CERN的对外部门在整个过程中,做出了堪称典范的媒体公关行动,大概可说是自美国NASA在上世纪登月计划之后最成功的一次科技公关,值得所有科研机构奉为楷模。

  他们这些年来经受了来自各方关于安全性的质疑,2003年曾组织一个评估小组向公众递交了一份长达25页的声明,其中动之以情晓之以理,动用各种分析保证说LHC绝对不会造出吞噬一切的黑洞、促发真空坍塌的奇异子、后果不明的磁单极子等灾难性事件。

  在点燃前夕,他们还动用娱乐手段,找来一位美女科学作家凯特·麦卡尔平 (Kate McAlpine)赋曲作词一首“大型强子对撞机说唱曲”,边唱边跳,并将视频发布到Youtube上吸引围观,并顺带博取他们的舆论支持。

  44亿美元堆出来的家伙

  如此不遗余力搞公关,最核心的原因只有一个:LHC实在是个钞票堆出来的家伙,到开机为止,44亿美元已经砸下去了,而维基百科给出的真正造价数额不少于80亿美元——不说清楚为什么要花这些钱,20个欧洲成员国以及美日加等投资国的政府首脑和民众都不会答应。

  至于这庞然大物到底用来做什么?感兴趣的人如果跑到国内著名物理博客李淼的主页上查一查,可以发现他翻译了一大段凯特·麦卡尔平的饶舌说唱歌词,其中包括如下几句:LHCb盯着反物质去了哪里/ALICE观测铅离子碰撞的游戏/CMS和ATLAS做的事几乎一样/它们抱着发现新粒子的希望/LHC加速质子和铅离子/这台机器的发现将使你兴奋到窒息……

  没错,信不信由你,上述这段言简意赅的歌词已经把近50亿美元的去向做了一个交代。

  歌词中提到的几个缩写词,正是用于观测的两个大型探测器以及两个中型探测器,按照重量,我们可以把它们从大到小排个座次。

  被称为紧凑型μ子螺旋磁场探测器的老大简称CMS,重达12500吨,参与砸钱的国家有38个,而眼巴巴等着它出数据的科学家超过2000人,此物在一个巨型螺管式磁铁基础上建成,采用圆柱形超导电缆线圈,可产生4特斯拉的磁场,相当于地球磁场的10万倍,任务是寻找希格斯玻色子、额外维度以及暗物质粒子。

  老二是环型LHC实验探测器,简称ALICE,重达10000吨,来自31个国家的超过1500名科学家投身其中,这是一个有望观察到类似于大爆炸后宇宙初期形态的部分。现今宇宙的所有普通物质都是由原子构成,其中有质子和中子构成的核子,科学家认为,质子和中子都是被“胶子”束缚着的更小粒子“夸克”形成的,但除非用某种条件解除束缚,否则我们不可能看到单独的夸克。LHC上质子流撞击时,将产生接近大爆炸之初的高温,由此可能出现夸克-胶子等离子体,进而看到现有物质如何形成。

  老三超环面仪器简称ATLAS,重达7000吨,参与国家35个,科学家1900人,它的实验目的与CMS一样,通过记录撞击时产生的粒子的有关数据,即通过它们的路径、能量以及特性等来寻找希格斯玻色子、额外维度以及暗物质粒子。不同的是,ATLAS和CMS探测器的磁铁系统采用了完全不同的技术和设计。

  老幺LHC底夸克探测器简称LHCb,重达5600吨,参与国家有14个,科学家超过650人,其目标是探索物质和反物质之间微小差别最灵敏的设备,主要研究CP破坏,探测高能区的新物理现象。这个实验设置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。

  中国任务:小投入与大意义

  概括而言,LHC将有希望去找到这些涉及本源问题的答案:物质是如何获得质量的?宇宙不可见的96%是什么?为什么自然界中物质的总量远超过反物质?自宇宙诞生以来物质是如何演化?在它雄心勃勃的日程表上,原拟定2009年内看到轻超对称,2010年以前看到重希格斯玻色子,2011年以前看到轻希格斯玻色子,2012年看到额外维度,现在看起来,都有点托大。不过我们还是应该抱着希望去等待的,等待一些惊喜来打破理论物理领域这些年来停滞不前的局面。

  “假如你花了100亿美元造一个机器,就没理由不乐观一点。”这句话出自CMS组的一位科学家之口。

  据一份来自国家自然科学基金委员会的报告:CMS项目中,中国承担的合作任务包括中科院高能物理所负责的阴极条室建造、端盖磁铁支架生产、漂移管高压分配板、信号耦合板及I-beam电极的生产和测试;北京大学负责的μ子触发系统用的里层桶部和端部电阻板室的研制和批量组装测试;中国科技大学参与钨酸铅晶体测试。上述任务占CMS国际合作总贡献的1%。

  ATLAS项目中,中国承担的任务包括中科院高能物理所负责的6500余支μ子谱仪精密监控漂移管和与其有关的34个BEE室及16套BIS.8室的研制和生产;山东大学承担400套用于μ子谱仪触发的窄隙室的研制和生产任务;南京大学、中国科技大学负责的一个端盖量能器铜吸收板加工及测试;以及南京大学承担的前向量能器钨吸收体组件研制。不过,完成上述任务仅占ATLAS总贡献的0.2%。

  此外据有关资料,中国的一些研究机构和大学也以单独身份加入了其他两个项目,如清华大学参与了LHCb探测器数据采集板的研发,华中师大参与了ALICE探测器上部分光子信号探测部件的研制和安装。

  听上去够复杂的,但客观来讲,中国在LHC计划中涉及到的只是少部分外围工作,中科院高能物理所所长陈和生在该报告中的一段话非常实在,也非常有趣:“中国以相对较小的投入参加高能物理大科学装置的国际合作,对推动我国高能物理研究的发展,跟踪国际科学前沿,并对国际高能物理研究的发展做出自己的贡献具有重大意义,也是中国高能物理发展的必由之路。”

  撞完了,世界还在

  2009年11月20日,日内瓦当地时间晚上10点左右,LHC在时隔14个月后再次注入了粒子束。23日下午,两束质子束流首次被引入ATLAS和CMS两个大型探测器,14时22分,ATLAS实验探测器记录下质子可能发生碰撞的第一次机会,然后ATLAS对粒子流进行了调谐以帮助粒子流产生碰撞。接着,CMS实验探测器再次对两束粒子流进行了优化。当晚,另两个中型实验装置ALICE实验探测器和LHCb实验探测器又分别对粒子流进行再次优化。29日,一对质子束加速到1.18 TeV,突破1TeV障碍,超越了美国费米实验室正反质子对撞机Tevatron加速器于2001年创造的0.98 TeV,这一纪录意味着可以实现2.36 TeV能级对撞。12月9日,CERN宣布LHC首次探测到了2.36 TeV对撞事件,从而成为世界上最高能量的粒子对撞器。

  当晚,一些新闻机构以类似于这样的标题释放了相关消息:撞完了,世界还在。

  12月16日,LHC圆满结束第一次运行,两天后,CERN第153次会议宣称,下一次注入质子束流是在2010年2月。这期间,不管对自己的饭碗信心大不大,物理学家都该有个好心情过过圣诞了。

  (作者王艳:华东理工大学高分子化学与物理专业硕士、科学松鼠会网站主编)

  

责任编辑:王华东
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