科學(xué)家通俗解讀世界最大強(qiáng)子對撞機(jī)
尋找占宇宙成分96%的暗物質(zhì)暗能量
本報記者 齊芳 發(fā)布時間： 2010-03-31 07:45 來源：光明日報
我國科學(xué)家參與的國際性大科學(xué)工程之一——大型強(qiáng)子對撞機(jī)今日對撞成功。本報記者第一時間連線中國科學(xué)院高能物理研究所相關(guān)專家，通俗解讀大型強(qiáng)子對撞機(jī)的重要意義。
歐洲核子研究中心宣布，3月30日日內(nèi)瓦時間1
3點06分（北京時間19點06分）,跨越日內(nèi)瓦市郊、瑞士和法國邊界的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）上，總能量為7萬億電子伏特的兩個束流對撞成功。這次迄今為止世界上能量最高的對撞，標(biāo)志著大型強(qiáng)子對撞機(jī)物理研究的啟動，拉開了粒子物理新時代的序幕，人類開始尋找占宇宙成分96%的暗物質(zhì)和暗能量。 大型強(qiáng)子對撞機(jī)創(chuàng)造的科學(xué)之最
中科院高能物理研究所研究員陳國明介紹說，這一世界上最大的大型強(qiáng)子對撞機(jī)，建在周長為27公里、埋入地下50到175米處的環(huán)形隧道中。它的設(shè)計目標(biāo)是對撞兩個反向回旋的質(zhì)子束流，總能量高達(dá)14萬億伏特。這次實驗預(yù)計達(dá)到的能量是設(shè)計目標(biāo)的一半。根據(jù)科學(xué)家們的設(shè)定，每個質(zhì)子的能量為3.5萬億電子伏特。質(zhì)子的速度是光速的99.999995%（比光速慢億分之五）。
大型強(qiáng)子對撞機(jī)的隧道里安放了四個探測器CMS（緊湊繆子線圈）、ATLAS（超環(huán)面儀器）、LHCb（底夸克探測器）和ALICE（大型離子對撞機(jī)）?？茖W(xué)家們希望通過這些探測器，在能量為數(shù)萬億電子伏特質(zhì)子對撞中發(fā)現(xiàn)有意義的新物理。
大型強(qiáng)子對撞機(jī)創(chuàng)造了許多科學(xué)之最。超環(huán)面儀器是世界上最大的探測器，有半個巴黎圣母院大。緊湊繆子線圈是世界上最重的探測器，鐵的使用量比埃菲爾鐵塔還多。它采用的圓柱形超導(dǎo)電纜線圈是世界上最大的超導(dǎo)線圈，可產(chǎn)生4萬高斯的磁場，相當(dāng)于地球磁場的10萬倍。 大型強(qiáng)子對撞機(jī)揭開物理學(xué)新紀(jì)元
緊湊繆子線圈、超環(huán)面儀器兩個實驗的物理目標(biāo)是尋找希格斯粒子（Higgs）、額外維度和宇宙中神秘的暗物質(zhì)。希格斯是一種理論上預(yù)言的新粒子，它能解釋其他粒子的質(zhì)量起源。
LHCb實驗將幫助我們了解為什么宇宙中反物質(zhì)不可思議地缺少。它通過研究“底夸克”粒子，專門對物質(zhì)和反物質(zhì)之間的微妙差異展開調(diào)查。
大型離子對撞機(jī)則是重離子對撞實驗。鉛離子對撞后，在實驗條件下重建“大爆炸”后的宇宙初期形態(tài)，撞擊時產(chǎn)生的高溫將是太陽內(nèi)部溫度的10萬倍。物理學(xué)家希望看到的是，質(zhì)子和中子會在這種高溫條件下“熔化”，并釋放被膠子束縛的夸克。
陳國明認(rèn)為，LHC將揭開物理學(xué)的新紀(jì)元。“上世紀(jì)初，牛頓理論看似完美，幾乎可以解釋一切，只有邁克爾遜—莫雷實驗和黑體輻射實驗得不到解釋。在當(dāng)時這被稱為美麗天空中飄著的兩朵烏云。正是這兩朵烏云導(dǎo)致了相對論和量子力學(xué)的誕生，引起了一場科學(xué)革命。”今天，相對論和量子力學(xué)也不再完美，“現(xiàn)在對宇宙的觀測表明，物理學(xué)能解釋的僅占宇宙成分的4%，其余96%由暗物質(zhì)和暗能量構(gòu)成，它們的本質(zhì)我們?nèi)徊恢?。這是一朵更大的烏云。如果大型強(qiáng)子對撞機(jī)能夠找到暗物質(zhì)，將引起科學(xué)的另一次革命，從而揭開物理學(xué)的新紀(jì)元。” 我國科學(xué)家參與其中
此次對撞成功后，歐洲核子研究中心將連續(xù)運行LHC18到24個月，以便為LHC上面的各個實驗提供足夠的數(shù)據(jù)來進(jìn)行物理研究。各個實驗將先找到那些已知的標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子，然后去尋找Higgs粒子和超對稱粒子。歐洲核子中心專家解釋說，如果Higgs粒子的質(zhì)量在160GeV（單位，十億電子伏特）附近，那么ATALS和CMS實驗就有可能用這一段時間所取得的數(shù)據(jù)找到Higgs粒子，如果太輕或太重則不太可能在今后的24個月當(dāng)中被發(fā)現(xiàn)。對于超對稱粒子，如果它的質(zhì)量小于800GeV，則能在今后的兩年內(nèi)被發(fā)現(xiàn)。
陳國明是CMS實驗中國組物理研究負(fù)責(zé)人，他介紹說，中國是參加CMS實驗的40多個國家之一,有四家科研單位參與了CMS實驗。“中國科學(xué)院高能物理研究所和北京大學(xué)組成的CMS中國組成功地建造了三分之一的端部繆子探測器陰極條室和阻性板室，并參與擬定了技術(shù)設(shè)計報告。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所向CMS提供了核心探測材料——用于電磁量能器的5000余根自主研制的鎢酸鉛閃爍晶體。中國科技大學(xué)參與了電磁能量器的研制。設(shè)于高能所的CMS遠(yuǎn)程控制中心，將與在CERN和美國費米實驗室一起輪班承擔(dān)CMS實驗的一部分實時監(jiān)控工作。”
中國科學(xué)院高能物理研究所金山研究員是ATLAS中國組的負(fù)責(zé)人。他說，ATLAS中國組包括中國科學(xué)院高能物理研究所、山東大學(xué)、中國科技大學(xué)和南京大學(xué)。“CMS與ATLAS目的幾乎一致，兩個實驗的結(jié)果可以互相檢測和印證。”目前，CMS與ATLAS實驗的中國科學(xué)家正積極參與探測器日常運行值班和非常復(fù)雜的模擬數(shù)據(jù)分析。
中國科學(xué)家參與的另一項重要工作就是LHC數(shù)據(jù)分析的網(wǎng)格平臺。中國科學(xué)院高能物理研究所計算中心主任陳剛研究員介紹說，對撞會產(chǎn)生很多粒子，這些粒子被探測器捕捉和記錄，這些數(shù)據(jù)反饋到計算機(jī)上經(jīng)過事例重建、物理模擬、物理分析等計算過程才能得到結(jié)果。“這是一個龐大的計算量。如果把LHC一年獲得的數(shù)據(jù)刻成光盤，能夠壘起20公里的高塔，需要10萬個CPU分秒不停計算一年。”陳剛說：“這是任何一個國家都無法獨立完成的任務(wù)，因此全球科學(xué)家聯(lián)合起來建立了網(wǎng)格平臺，中國是其中之一。”
這一階段的運行過后，LHC將關(guān)機(jī)進(jìn)行徹底的修理，為14萬億電子伏特對撞作準(zhǔn)備。歐洲核子中心的所長Heuer說，“兩年的連續(xù)運行是一個離譜的要求，但這個努力是值得的，這可以補(bǔ)償前次的失敗所失去的時間，使物理學(xué)家們可以有機(jī)會做出他們的成果。” （本報北京3月30日電）
