地下對(duì)撞：只為“撞”見“上帝粒子”
時(shí)間： 2010-04-11 08:06:06 來源：
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對(duì)撞點(diǎn)上帝粒子希格斯玻色子質(zhì)子束科學(xué)家內(nèi)容摘要: 也有些人甚至有部分科學(xué)家擔(dān)心，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)對(duì)撞所形成的黑洞可能會(huì)毀掉地球。再現(xiàn)大爆炸：在大型離子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中，重鉛核子將進(jìn)行對(duì)撞，產(chǎn)生１０萬倍于太陽中部的溫度，進(jìn)而形成一個(gè)大爆炸后瞬間存在的微型版的“原始湯”。
ＡＴＬＡＳ探測(cè)器：圍繞核心交互點(diǎn)的一組超大圓筒。交互點(diǎn)正是強(qiáng)子束發(fā)生碰撞的地方。
位于日內(nèi)瓦附近地下隧道中的歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)大型磁鐵。
對(duì)撞實(shí)驗(yàn)發(fā)生在日內(nèi)瓦附近百米深處的地下隧道。
歐洲核子研究中心科學(xué)家舉杯慶祝對(duì)撞成功。
歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)控制中心現(xiàn)場(chǎng)。
壓縮μ子螺旋型磁譜儀。
歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)工作原理示意圖。地下環(huán)形隧道長(zhǎng)約２７公里。
質(zhì)子束流的對(duì)撞。
在科幻電影和小說中，黑洞可以捕獲粗心大意的飛船和行星，可以吞噬整個(gè)星系，或者為宇宙的其他部分提供入口。在這些描述的啟示下，物理學(xué)家們研制出大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(ＬＨＣ)，人類終于有了一個(gè)強(qiáng)大到可以制造“迷你黑洞”的機(jī)器?？茖W(xué)家們相信，他們可以通過這樣的對(duì)撞發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子――“上帝粒子”。
科學(xué)家們認(rèn)為，正是這種“上帝粒子”賦予宇宙萬物以質(zhì)量。發(fā)現(xiàn)和證實(shí)“上帝粒子”存在是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)現(xiàn)階段的首要任務(wù)。３月３０日，ＬＨＣ“首撞”成功，有包括中國(guó)在內(nèi)的８０多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的７０００多名科學(xué)家參與了ＬＨＣ的相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
然而，也有些人甚至有部分科學(xué)家擔(dān)心，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)對(duì)撞所形成的黑洞可能會(huì)毀掉地球。
ＬＨＣ成功進(jìn)行首次高能質(zhì)子束對(duì)撞，就此宣告一個(gè)物理學(xué)新時(shí)代黎明的到來。支持和反對(duì)強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的兩大陣營(yíng)仍在激烈交鋒。問題是，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)制造的“迷你黑洞”是否真的會(huì)毀掉地球科學(xué)家們?yōu)楹我欢ㄒ线@個(gè)項(xiàng)目呢？
地下百米深處最昂貴的科學(xué)設(shè)施
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（ＬＨＣ）是世界最大的粒子加速器，項(xiàng)目投資達(dá)３９億歐元（約合５６億美元），位于日內(nèi)瓦附近瑞士和法國(guó)交界地區(qū)地下１００米深處、總長(zhǎng)１７英里（約合２７公里）的環(huán)形隧道內(nèi)。建造ＬＨＣ的主要目的是尋找暗物質(zhì)等現(xiàn)象，最終揭開宇宙形成之謎。
它是世界上最大、最昂貴的科學(xué)設(shè)施，科學(xué)家希望利用它揭開希格斯玻色子的廬山真面目。希格斯玻色子的特性難以捉摸，被稱為“上帝粒子”，科學(xué)家認(rèn)為它是物質(zhì)的質(zhì)量之源。蘇格蘭物理學(xué)家彼得?希格斯在３０年前曾表示，希格斯玻色子或許能解釋物質(zhì)如何聚在一起，創(chuàng)造宇宙及宇宙萬物。只要它確實(shí)存在，物理學(xué)家利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)對(duì)撞，發(fā)現(xiàn)它的幾率將相當(dāng)大。
這臺(tái)對(duì)撞機(jī)旨在推動(dòng)以相反方向高能運(yùn)轉(zhuǎn)的粒子撞擊。數(shù)十億次撞擊將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，供歐洲核子研究中心和全球各地一萬名科學(xué)家研究和分析，每一次撞擊都會(huì)產(chǎn)生類似于１３７億年前宇宙大爆炸發(fā)生瞬間的狀態(tài)，有助人類進(jìn)一步探索宇宙起源之謎。宇宙大爆炸噴射的物質(zhì)最終形成了恒星、行星和地球生命，但希格斯理論認(rèn)為，只有在希格斯玻色子這樣的粒子將物質(zhì)聚集在一起，賦予其質(zhì)量，上述一幕才有可能發(fā)生。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目可謂一波三折。２００８年，對(duì)撞機(jī)在能量較低的情況下啟動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)１０天之后便因冷凍劑泄漏事故不得不關(guān)閉。經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)一年的修復(fù)和認(rèn)真準(zhǔn)備后重新啟動(dòng)，并于今年３月３０日首次成功進(jìn)行了高能質(zhì)子束對(duì)撞。
“進(jìn)入任何人都未曾進(jìn)入的領(lǐng)域”
質(zhì)子束對(duì)撞實(shí)驗(yàn)于３月３０日凌晨５點(diǎn)開始，過去的失敗嘗試讓科學(xué)家的神經(jīng)緊張到極點(diǎn)。終于對(duì)撞成功后，現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)家爆發(fā)出一片歡呼聲，他們相互慶祝，興奮之情溢于言表。在對(duì)撞圖像傳回４個(gè)對(duì)撞機(jī)控制室之后，來自多個(gè)國(guó)家、年齡懸殊的物理學(xué)家們激動(dòng)地?fù)肀г谝黄?，他們歡呼雀躍，打開香檳酒進(jìn)行慶祝。挪威物理學(xué)家海蒂?桑達(dá)克帶著自己的寶寶投入工作。在對(duì)撞發(fā)生時(shí)，她的孩子也見證了這一重要時(shí)刻。
經(jīng)過幾十年的艱苦努力以及在最近一年屢屢受挫之后，質(zhì)子束終于在２０１０年３月３０日英國(guó)夏令時(shí)午后首次對(duì)撞在一起。雖然比預(yù)定計(jì)劃晚了整整５個(gè)小時(shí)，但仍在歐洲核子研究組織（以下簡(jiǎn)稱ＣＥＲＮ）的科學(xué)家預(yù)計(jì)中的時(shí)間范圍內(nèi)。
全世界的科學(xué)家通過現(xiàn)場(chǎng)直播觀看了對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，他們將第三次對(duì)撞嘗試稱之為一個(gè)“歷史時(shí)刻”，標(biāo)志著人類朝著揭開物理學(xué)最大謎團(tuán)的道路邁出了第一步。ＣＥＲＮ資深科學(xué)家奧利弗?布赫姆勒說：“我們正進(jìn)入一個(gè)此前任何人都未曾進(jìn)入的領(lǐng)域。我們開辟了物理學(xué)的一個(gè)新的疆域。”
在此次對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，原子粒子正面撞擊，每一個(gè)質(zhì)子束攜帶３．５萬億電子伏能量，是此前紀(jì)錄的３倍。通過進(jìn)行超高能量對(duì)撞，科學(xué)家可以重建大爆炸發(fā)生后瞬間的初期宇宙形態(tài)。十幾天前，兩個(gè)質(zhì)子束開始在地下１７英里長(zhǎng)的環(huán)形隧道內(nèi)沿相反方向高速移動(dòng)。
“物理學(xué)的酒杯很快就會(huì)被填滿”
大型離子對(duì)撞機(jī)（Ａｌｉｃｅ）實(shí)驗(yàn)是強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)進(jìn)行的其中一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的發(fā)言人尤爾根?斯庫克拉夫特表示：“１００年后，我們最終站到讓物理學(xué)發(fā)生一場(chǎng)變革的邊緣。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)似乎是解答一系列疑問的關(guān)鍵。”
由于要與日本科學(xué)大臣會(huì)晤，ＣＥＲＮ總干事羅爾夫?霍爾教授及其副手塞吉奧?貝托魯奇并沒有前往現(xiàn)場(chǎng)，見證質(zhì)子束對(duì)撞這一歷史時(shí)刻。身在東京大學(xué)的霍爾通過視頻發(fā)表講話，當(dāng)時(shí)他的身邊放著一瓶葡萄酒，手里則端著一個(gè)酒杯。他說：“這瓶酒是１９９１年買的，那一年，我們簽約啟動(dòng)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目?，F(xiàn)在，這瓶酒已經(jīng)空了，但物理學(xué)的酒杯很快就會(huì)被填滿。”
隨著成功對(duì)撞的消息宣布，參與指導(dǎo)對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的科學(xué)家最終松了一口氣并陷入興奮之中。很多人從２９日晚上一直工作到３０日凌晨，以確保所有設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了此次對(duì)撞，比利時(shí)魯汶大學(xué)物理學(xué)家克里斯托夫?德拉萊教授連續(xù)工作時(shí)間超過２４個(gè)小時(shí)。他說：“這真的是一個(gè)非常令人興奮的時(shí)刻。”
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)主要構(gòu)造
內(nèi)部跟蹤系統(tǒng)（ＩＴＳ）：是由硅探測(cè)器圍成一個(gè)６層的圓筒，將對(duì)撞點(diǎn)裹在里面，用它測(cè)量合成粒子的特性和準(zhǔn)確位置，還可能在這里發(fā)現(xiàn)含有重夸克的粒子。
超導(dǎo)環(huán)場(chǎng)探測(cè)器（ＡＴＬＡＳ）：長(zhǎng)４４米，直徑２５米，重約７０００噸。超導(dǎo)環(huán)場(chǎng)探測(cè)器是一個(gè)亞原子粒子探測(cè)器，是自１９３０年加州大學(xué)的勞倫斯建立回旋加速器后最大而且建造最復(fù)雜的環(huán)場(chǎng)探測(cè)器。質(zhì)子束在探測(cè)器中心碰撞時(shí)，這里測(cè)量到的信號(hào)可能是最強(qiáng)的。
壓縮μ子螺旋型磁譜儀(ＣＭＳ)：它是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上安裝的兩個(gè)大型通用粒子物理探測(cè)器中的一個(gè)。壓縮μ子螺旋型磁譜儀包含大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的“交互點(diǎn)”，這是一個(gè)非常重要的位置，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)里反向旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)光束里的質(zhì)子，正是在這個(gè)地方撞在一起。
一周制造千萬次“宇宙大爆炸”
首次對(duì)撞成功，無疑開了一個(gè)好頭，可在接下來的時(shí)間里，人們都在期待，希望聽到更多關(guān)于對(duì)撞的最新進(jìn)展。４月７日，ＣＥＲＮ的物理學(xué)家對(duì)外宣布，從３月３０日到４月６日，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在高能運(yùn)行的第一周共制造了１０００萬次迷你“宇宙大爆炸”。要探究宇宙的一系列秘密，制造這樣的迷你爆炸是必不可少的一步。
ＣＥＲＮ發(fā)言人詹姆斯?吉利斯稱，位于地下的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)十分正常。微型粒子會(huì)在對(duì)撞機(jī)內(nèi)以接近光速的速度對(duì)撞。吉利斯說：“一切進(jìn)行得非常順利。我們將獲取大量數(shù)據(jù)，需要全世界的實(shí)驗(yàn)室投入分析工作。我們需要數(shù)月甚至數(shù)年時(shí)間才能發(fā)現(xiàn)真正意義上的新東西。”
ＣＥＲＮ官員希望對(duì)撞機(jī)在高能運(yùn)轉(zhuǎn)情況下度過最初的兩周。目前，科學(xué)家正密切關(guān)注對(duì)撞機(jī)所在的位于日內(nèi)瓦附近瑞法交界地區(qū)地下的１７英里環(huán)形隧道。他們表示，當(dāng)前記錄的每秒對(duì)撞次數(shù)為１００次，是上周第一次高能運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的兩倍。
對(duì)撞能夠產(chǎn)生迷你“大爆炸”。１３７億年前的大爆炸造就了整個(gè)宇宙，星系、恒星、行星、生命以及物理學(xué)基本定律都源于這場(chǎng)爆炸。通過跟蹤粒子對(duì)撞后的活動(dòng)，ＣＥＲＮ研究人員希望能夠揭開宇宙的一系列秘密，例如暗物質(zhì)的構(gòu)成，物質(zhì)為何擁有質(zhì)量以及是否存在除已知４個(gè)維度外的更多維度。
對(duì)撞能否讓“上帝粒子”現(xiàn)形
愛爾蘭網(wǎng)絡(luò)博彩公司Ｐａｄｄｙ Ｐｏｗｅｒ 已開出盤口，賭強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)上演的第一個(gè)發(fā)現(xiàn)可能是什么。暗物質(zhì)的賠率為１１比１０，黑洞為８比１、暗能量為１２比１。除此之外，科學(xué)家還有可能通過對(duì)撞揭開其他的宇宙之謎。
暗物質(zhì)：暗物質(zhì)是物質(zhì)的一種奇異形態(tài)。這種奇怪的物質(zhì)在宇宙中的比重超過正常物質(zhì)，但我們無法在地球上對(duì)它們進(jìn)行觀測(cè)。雖然無法直接觀測(cè)到暗物質(zhì)的存在，但科學(xué)家可以觀測(cè)到它們的引力效應(yīng)。１９３４年，科學(xué)家第一次提出存在暗物質(zhì)這種假設(shè)，充當(dāng)星系“質(zhì)量短缺”的一個(gè)證據(jù)。據(jù)信，暗物質(zhì)在構(gòu)成宇宙的所有物質(zhì)中所占比重為四分之三左右。迄今為止，科學(xué)家只在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在線索。
希格斯玻色子：希格斯玻色子是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)重點(diǎn)尋找的粒子，能夠解釋質(zhì)量的來源。１９６４年，彼得?希格斯第一次提出希格斯玻色子的存在。希格斯玻色子經(jīng)常被稱之為“上帝粒子”，科學(xué)家認(rèn)為正是這種粒子賦予宇宙萬物以質(zhì)量。但這種粒子只存在于理論中，科學(xué)家從未在實(shí)際研究中觀測(cè)到它的蹤影。
超對(duì)稱性：超對(duì)稱性理論認(rèn)為，宇宙中的每一個(gè)粒子都擁有一個(gè)與之相對(duì)稱并且更重的“雙胞胎兄弟”。這是一項(xiàng)極好的理論，但能夠支撐這一理論的證據(jù)卻少得可憐。
再現(xiàn)大爆炸：在大型離子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中，重鉛核子將進(jìn)行對(duì)撞，產(chǎn)生１０萬倍于太陽中部的溫度，進(jìn)而形成一個(gè)大爆炸后瞬間存在的微型版的“原始湯”。
額外維度：我們生活在三維空間，但物理學(xué)家認(rèn)為可能存在１０個(gè)或者２６個(gè)維度，只是無法被我們的肉眼觀察到。
基本粒子：大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是世界上能量最高的粒子加速器，有可能發(fā)現(xiàn)粒子中的夸克?？淇四壳爸皇且环N理論上的構(gòu)成強(qiáng)子的粒子。
以上這幾大未解之謎哪怕解開一個(gè)，都將是物理學(xué)上的重大突破。所以，對(duì)撞機(jī)成功進(jìn)行對(duì)撞實(shí)驗(yàn)具有非常重大的意義，可以與工業(yè)革命、人類進(jìn)入電氣和核能時(shí)代以及牛頓、愛迪生和愛因斯坦所取得的偉大成就相提并論。
“迷你黑洞”
會(huì)毀掉地球嗎
牛津大學(xué)物理系的奇戴姆?艾瑟威爾表示：“２００３年，作為粒子物理學(xué)家的我對(duì)黑洞產(chǎn)生了興趣，因?yàn)楦嗑S的模型顯示，高能宇宙射線甚至粒子加速器里都有可能產(chǎn)生黑洞。如果我們真能生成這種物體，我們就能夠通過實(shí)驗(yàn)，更好地了解量子引力效應(yīng)。”她希望通過研究黑洞，可以得出一個(gè)公式化的量子引力理論：把愛因斯坦的廣義相對(duì)論（從宏觀上描述了引力）與量子力學(xué)（從微觀角度描述了物理學(xué)）嫁接在一起。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是質(zhì)子與質(zhì)子相撞。這些質(zhì)子由更小的成分構(gòu)成，即所謂的“部分子”，事實(shí)上它們才是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)里正在相撞的粒子。奇戴姆解釋說：“常規(guī)物理模型中，兩個(gè)質(zhì)子相撞根本不會(huì)產(chǎn)生黑洞。然而也有模型顯示，在非常小的距離內(nèi)引力會(huì)變得異常大。如果這種猜測(cè)屬實(shí)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)里兩個(gè)質(zhì)子相撞，彼此穿過對(duì)方，并非沒有可能。如果真是這樣，我們或許可以生成一個(gè)微型黑洞。”
這些“迷你黑洞”是什么樣的？我們應(yīng)該擔(dān)心它們嗎？奇戴姆告訴我說：“據(jù)著名天體物理學(xué)家史蒂芬?霍金說，事實(shí)上它們不會(huì)那么黑暗。隨著黑色天體不斷輻射波譜，它們最終會(huì)消失。它們的消失速度與黑洞的質(zhì)量成反比。龐大黑洞的質(zhì)量非常大，它們的消失速度可以忽略不計(jì)。與之相比，‘迷你黑洞’非常熱：熱得令人難以置信。我們太陽的核心大約有１５００萬開氏溫標(biāo)，然而它要想趕上‘迷你黑洞’的溫度，你必須再在這個(gè)數(shù)字后面添加４２個(gè)零。這種令人難以置信的高溫意味著‘迷你黑洞’會(huì)很快消失在它們周圍溫度更低的太空里。它們的潛在壽命大約是一億分之一秒的一千的九次方分之一。因此它們產(chǎn)生后會(huì)在剎那間消失。”
如果它們果真出現(xiàn)了，它們會(huì)立刻變成很多小粒子，利用ＡＴＬＡＳ探測(cè)器可以發(fā)現(xiàn)它們。奇戴姆說：“這些粒子將擁有非常驚人的特征。儲(chǔ)存在探測(cè)器里的總能量大約是幾兆電子伏特，終態(tài)粒子的數(shù)量會(huì)非常大。利用其他新物理學(xué)幾乎無法模擬黑洞的特征，如果它們果真產(chǎn)生了，我們就不會(huì)錯(cuò)過它們。”
毫無疑問，即使這樣的“迷你黑洞”真的形成了，它也不會(huì)毀滅地球，只會(huì)幫助科學(xué)家更好地了解宇宙。
