地下對撞：只為“撞”見(jiàn)“上帝粒子”
時(shí)間： 2010-04-11 08:06:06 來(lái)源：
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對撞點(diǎn)上帝粒子希格斯玻色子質(zhì)子束科學(xué)家內容摘要: 也有些人甚至有部分科學(xué)家擔心，大型強子對撞機對撞所形成的黑洞可能會(huì )毀掉地球。再現大爆炸：在大型離子對撞機實(shí)驗中，重鉛核子將進(jìn)行對撞，產(chǎn)生１０萬(wàn)倍于太陽(yáng)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探測器：圍繞核心交互點(diǎn)的一組超大圓筒。交互點(diǎn)正是強子束發(fā)生碰撞的地方。
位于日內瓦附近地下隧道中的歐洲大型強子對撞機大型磁鐵。
對撞實(shí)驗發(fā)生在日內瓦附近百米深處的地下隧道。
歐洲核子研究中心科學(xué)家舉杯慶祝對撞成功。
歐洲大型強子對撞機控制中心現場(chǎng)。
壓縮μ子螺旋型磁譜儀。
歐洲大型強子對撞機工作原理示意圖。地下環(huán)形隧道長(cháng)約２７公里。
質(zhì)子束流的對撞。
在科幻電影和小說(shuō)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)家們研制出大型強子對撞機(ＬＨＣ)，人類(lèi)終于有了一個(gè)強大到可以制造“迷你黑洞”的機器?？茖W(xué)家們相信，他們可以通過(guò)這樣的對撞發(fā)現希格斯玻色子――“上帝粒子”。
科學(xué)家們認為，正是這種“上帝粒子”賦予宇宙萬(wàn)物以質(zhì)量。發(fā)現和證實(shí)“上帝粒子”存在是大型強子對撞機現階段的首要任務(wù)。３月３０日，ＬＨＣ“首撞”成功，有包括中國在內的８０多個(gè)國家和地區的７０００多名科學(xué)家參與了ＬＨＣ的相關(guān)實(shí)驗項目。
然而，也有些人甚至有部分科學(xué)家擔心，大型強子對撞機對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)子束對撞，就此宣告一個(gè)物理學(xué)新時(shí)代黎明的到來(lái)。支持和反對強子對撞機項目的兩大陣營(yíng)仍在激烈交鋒。問(wèn)題是，大型強子對撞機制造的“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)項目呢？
地下百米深處最昂貴的科學(xué)設施
大型強子對撞機（ＬＨＣ）是世界最大的粒子加速器，項目投資達３９億歐元（約合５６億美元），位于日內瓦附近瑞士和法國交界地區地下１００米深處、總長(cháng)１７英里（約合２７公里）的環(huán)形隧道內。建造ＬＨＣ的主要目的是尋找暗物質(zhì)等現象，最終揭開(kāi)宇宙形成之謎。
它是世界上最大、最昂貴的科學(xué)設施，科學(xué)家希望利用它揭開(kāi)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(chēng)為“上帝粒子”，科學(xué)家認為它是物質(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(wàn)物。只要它確實(shí)存在，物理學(xué)家利用大型強子對撞機對撞，發(fā)現它的幾率將相當大。
這臺對撞機旨在推動(dòng)以相反方向高能運轉的粒子撞擊。數十億次撞擊將產(chǎn)生大量數據，供歐洲核子研究中心和全球各地一萬(wàn)名科學(xué)家研究和分析，每一次撞擊都會(huì )產(chǎn)生類(lèi)似于１３７億年前宇宙大爆炸發(fā)生瞬間的狀態(tài)，有助人類(lèi)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。
大型強子對撞機項目可謂一波三折。２００８年，對撞機在能量較低的情況下啟動(dòng)，運轉１０天之后便因冷凍劑泄漏事故不得不關(guān)閉。經(jīng)過(guò)長(cháng)達一年的修復和認真準備后重新啟動(dòng)，并于今年３月３０日首次成功進(jìn)行了高能質(zhì)子束對撞。
“進(jìn)入任何人都未曾進(jìn)入的領(lǐng)域”
質(zhì)子束對撞實(shí)驗于３月３０日凌晨５點(diǎn)開(kāi)始，過(guò)去的失敗嘗試讓科學(xué)家的神經(jīng)緊張到極點(diǎn)。終于對撞成功后，現場(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。在對撞圖像傳回４個(gè)對撞機控制室之后，來(lái)自多個(gè)國家、年齡懸殊的物理學(xué)家們激動(dòng)地擁抱在一起，他們歡呼雀躍，打開(kāi)香檳酒進(jìn)行慶祝。挪威物理學(xué)家海蒂?桑達克帶著(zhù)自己的寶寶投入工作。在對撞發(fā)生時(shí)，她的孩子也見(jiàn)證了這一重要時(shí)刻。
經(jīng)過(guò)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日英國夏令時(shí)午后首次對撞在一起。雖然比預定計劃晚了整整５個(gè)小時(shí)，但仍在歐洲核子研究組織（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ＣＥＲＮ）的科學(xué)家預計中的時(shí)間范圍內。
全世界的科學(xué)家通過(guò)現場(chǎng)直播觀(guān)看了對撞實(shí)驗，他們將第三次對撞嘗試稱(chēng)之為一個(gè)“歷史時(shí)刻”，標志著(zhù)人類(lèi)朝著(zhù)揭開(kāi)物理學(xué)最大謎團的道路邁出了第一步。ＣＥＲＮ資深科學(xué)家?jiàn)W利弗?布赫姆勒說(shuō)：“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(kāi)辟了物理學(xué)的一個(gè)新的疆域。”
在此次對撞實(shí)驗中，原子粒子正面撞擊，每一個(gè)質(zhì)子束攜帶３．５萬(wàn)億電子伏能量，是此前紀錄的３倍。通過(guò)進(jìn)行超高能量對撞，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(kāi)始在地下１７英里長(cháng)的環(huán)形隧道內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(mǎn)”
大型離子對撞機（Ａｌｉｃｅ）實(shí)驗是強子對撞機進(jìn)行的其中一項實(shí)驗。這項實(shí)驗的發(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。大型強子對撞機似乎是解答一系列疑問(wèn)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(méi)有前往現場(chǎng)，見(jiàn)證質(zhì)子束對撞這一歷史時(shí)刻。身在東京大學(xué)的霍爾通過(guò)視頻發(fā)表講話(huà)，當時(shí)他的身邊放著(zhù)一瓶葡萄酒，手里則端著(zhù)一個(gè)酒杯。他說(shuō)：“這瓶酒是１９９１年買(mǎi)的，那一年，我們簽約啟動(dòng)大型強子對撞機項目?，F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(mǎn)。”
隨著(zhù)成功對撞的消息宣布，參與指導對撞機項目的科學(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，以確保所有設備正常運轉。為了此次對撞，比利時(shí)魯汶大學(xué)物理學(xué)家克里斯托夫?德拉萊教授連續工作時(shí)間超過(guò)２４個(gè)小時(shí)。他說(shuō)：“這真的是一個(gè)非常令人興奮的時(shí)刻。”
大型強子對撞機主要構造
內部跟蹤系統（ＩＴＳ）：是由硅探測器圍成一個(gè)６層的圓筒，將對撞點(diǎn)裹在里面，用它測量合成粒子的特性和準確位置，還可能在這里發(fā)現含有重夸克的粒子。
超導環(huán)場(chǎng)探測器（ＡＴＬＡＳ）：長(cháng)４４米，直徑２５米，重約７０００噸。超導環(huán)場(chǎng)探測器是一個(gè)亞原子粒子探測器，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雜的環(huán)場(chǎng)探測器。質(zhì)子束在探測器中心碰撞時(shí)，這里測量到的信號可能是最強的。
壓縮μ子螺旋型磁譜儀(ＣＭＳ)：它是大型強子對撞機上安裝的兩個(gè)大型通用粒子物理探測器中的一個(gè)。壓縮μ子螺旋型磁譜儀包含大型強子對撞機的“交互點(diǎn)”，這是一個(gè)非常重要的位置，大型強子對撞機里反向旋轉的兩個(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(wàn)次“宇宙大爆炸”
首次對撞成功，無(wú)疑開(kāi)了一個(gè)好頭，可在接下來(lái)的時(shí)間里，人們都在期待，希望聽(tīng)到更多關(guān)于對撞的最新進(jìn)展。４月７日，ＣＥＲＮ的物理學(xué)家對外宣布，從３月３０日到４月６日，大型強子對撞機在高能運行的第一周共制造了１０００萬(wàn)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(chēng)，位于地下的強子對撞機運轉十分正常。微型粒子會(huì )在對撞機內以接近光速的速度對撞。吉利斯說(shuō)：“一切進(jìn)行得非常順利。我們將獲取大量數據，需要全世界的實(shí)驗室投入分析工作。我們需要數月甚至數年時(shí)間才能發(fā)現真正意義上的新東西。”
ＣＥＲＮ官員希望對撞機在高能運轉情況下度過(guò)最初的兩周。目前，科學(xué)家正密切關(guān)注對撞機所在的位于日內瓦附近瑞法交界地區地下的１７英里環(huán)形隧道。他們表示，當前記錄的每秒對撞次數為１００次，是上周第一次高能運轉時(shí)的兩倍。
對撞能夠產(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(guò)跟蹤粒子對撞后的活動(dòng)，ＣＥＲＮ研究人員希望能夠揭開(kāi)宇宙的一系列秘密，例如暗物質(zhì)的構成，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。
對撞能否讓“上帝粒子”現形
愛(ài)爾蘭網(wǎng)絡(luò )博彩公司Ｐａｄｄｙ Ｐｏｗｅｒ 已開(kāi)出盤(pán)口，賭強子對撞機實(shí)驗上演的第一個(gè)發(fā)現可能是什么。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(guò)對撞揭開(kāi)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(guò)正常物質(zhì)，但我們無(wú)法在地球上對它們進(jìn)行觀(guān)測。雖然無(wú)法直接觀(guān)測到暗物質(zhì)的存在，但科學(xué)家可以觀(guān)測到它們的引力效應。１９３４年，科學(xué)家第一次提出存在暗物質(zhì)這種假設，充當星系“質(zhì)量短缺”的一個(gè)證據。據信，暗物質(zhì)在構成宇宙的所有物質(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)驗中發(fā)現暗物質(zhì)存在線(xiàn)索。
希格斯玻色子：希格斯玻色子是大型強子對撞機重點(diǎn)尋找的粒子，能夠解釋質(zhì)量的來(lái)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(chēng)之為“上帝粒子”，科學(xué)家認為正是這種粒子賦予宇宙萬(wàn)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(guān)測到它的蹤影。
超對稱(chēng)性：超對稱(chēng)性理論認為，宇宙中的每一個(gè)粒子都擁有一個(gè)與之相對稱(chēng)并且更重的“雙胞胎兄弟”。這是一項極好的理論，但能夠支撐這一理論的證據卻少得可憐。
再現大爆炸：在大型離子對撞機實(shí)驗中，重鉛核子將進(jìn)行對撞，產(chǎn)生１０萬(wàn)倍于太陽(yáng)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)家認為可能存在１０個(gè)或者２６個(gè)維度，只是無(wú)法被我們的肉眼觀(guān)察到。
基本粒子：大型強子對撞機是世界上能量最高的粒子加速器，有可能發(fā)現粒子中的夸克?？淇四壳爸皇且环N理論上的構成強子的粒子。
以上這幾大未解之謎哪怕解開(kāi)一個(gè)，都將是物理學(xué)上的重大突破。所以，對撞機成功進(jìn)行對撞實(shí)驗具有非常重大的意義，可以與工業(yè)革命、人類(lèi)進(jìn)入電氣和核能時(shí)代以及牛頓、愛(ài)迪生和愛(ài)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)家的我對黑洞產(chǎn)生了興趣，因為更多維的模型顯示，高能宇宙射線(xiàn)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(guò)實(shí)驗，更好地了解量子引力效應。”她希望通過(guò)研究黑洞，可以得出一個(gè)公式化的量子引力理論：把愛(ài)因斯坦的廣義相對論（從宏觀(guān)上描述了引力）與量子力學(xué)（從微觀(guān)角度描述了物理學(xué)）嫁接在一起。
大型強子對撞機是質(zhì)子與質(zhì)子相撞。這些質(zhì)子由更小的成分構成，即所謂的“部分子”，事實(shí)上它們才是大型強子對撞機里正在相撞的粒子。奇戴姆解釋說(shuō)：“常規物理模型中，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，在非常小的距離內引力會(huì )變得異常大。如果這種猜測屬實(shí)，大型強子對撞機里兩個(gè)質(zhì)子相撞，彼此穿過(guò)對方，并非沒(méi)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？我們應該擔心它們嗎？奇戴姆告訴我說(shuō)：“據著(zhù)名天體物理學(xué)家史蒂芬?霍金說(shuō)，事實(shí)上它們不會(huì )那么黑暗。隨著(zhù)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。與之相比，‘迷你黑洞’非常熱：熱得令人難以置信。我們太陽(yáng)的核心大約有１５００萬(wàn)開(kāi)氏溫標，然而它要想趕上‘迷你黑洞’的溫度，你必須再在這個(gè)數字后面添加４２個(gè)零。這種令人難以置信的高溫意味著(zhù)‘迷你黑洞’會(huì )很快消失在它們周?chē)鷾囟雀偷奶绽?。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。”
如果它們果真出現了，它們會(huì )立刻變成很多小粒子，利用ＡＴＬＡＳ探測器可以發(fā)現它們。奇戴姆說(shuō)：“這些粒子將擁有非常驚人的特征。儲存在探測器里的總能量大約是幾兆電子伏特，終態(tài)粒子的數量會(huì )非常大。利用其他新物理學(xué)幾乎無(wú)法模擬黑洞的特征，如果它們果真產(chǎn)生了，我們就不會(huì )錯過(guò)它們。”
毫無(wú)疑問(wèn)，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。
