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【物理科普】进入地下神秘"粒子物理王国" ，探访宇宙大爆炸现场

环球物理 · 公众号 · 物理 · 2017-02-07 22:32

正文

这里——欧洲原子能研究中心，聚集着世界顶尖科学家，他们因发现“上帝粒子”，从而重新定义了宇宙与人类。

这里，借助大型强子对撞机，这一现世界最大、能量最高的粒子加速器，随时在上演实验室微缩版“宇宙大爆炸”。

质量的起源是什么？为什么微小粒子拥有质量，而其它一些粒子却没有这种“待遇”？对于这些宇宙之谜，人类从来没有放弃探索。

在瑞士日内瓦的欧洲原子能研究中心（CERN）就聚集了一帮世界顶尖科学家，几十年来，上下求索，探究宇宙奥秘。CERN震惊物理界的成果，当属利用大型强子对撞机（LHC）发现了希格斯玻色子。这种亚原子粒子又被称为“上帝粒子”。它的发现，为粒子拥有质量提供了最强大的佐证。

每年4月启动，12月中旬停下来，这个庞大的科研大机器在遥远的瑞士日内瓦不舍昼夜地运转着。借助于对撞机产生的前所未有的能量，随时在上演实验室微缩版“宇宙大爆炸”。日前，华西都市报记者有幸在研究中心的中方研究员、北京大学教授钱思进和粒子物理学家任忠良博士的带领下，零距离探访这神秘的地下“粒子物理王国”。

丨如何制造丨

宇宙大爆炸

借助大型强子对撞器，这里的科学家们得以制造“迷你版”宇宙大爆炸之后的瞬间状况，从而探究“暗物质”，“暗能量”等宇宙之谜。

在冬天：

研究中心被茫茫白雪覆盖，看起来有些寂冷，而中心内的学术气氛却是分外浓烈，随时可见不同肤色、不同装束的学者聚在一起，操各种口音的英语或法语讨论问题。

记者此行想要探访的大型强子对撞器就坐落在日内瓦附近瑞士和法国的交界朱拉山地下100米深、总长27公里的环形隧道内。它在2008年5月投入运行后，一年工作从4月底开始启动，一直运行到12月份中旬停下来。

钱思进教授详细阐述了大型强子对撞机的对撞原理和路径。首先，从氢气瓶中产生一束质子包，注入到加速器系统里面去加速。质子沿着环形隧道行进，不断加速，持续获得能量。

“和大家想象中不一样，质子进入加速器后并不是沿着一条直线运行的。”钱教授说，就像火箭发射一样，要经历多次加速的过程，质子的能量经历不同等级的加速后达到最大值。作为目前全世界最大，能量最高的一个粒子加速器，它可以把质子加速到7万亿电子伏特的能量——这是以前从来没有达到过的。

“当两个七万亿电子伏特的质子，以接近光速的速度进行对撞时，产生十四万亿电子伏特的火球，这个火球的温度可以达到10的16次方，相当于太阳中心温度的十亿倍。宇宙是140亿年以前由大爆炸产生的，这就相当于把时间推回到140亿年以前的宇宙产生初期的极高温高压的一个状态。在这里，科学家试图通过制造“迷你版”宇宙大爆炸之后的瞬间状况，探秘“暗物质”，“暗能量”等其他未解之谜。

丨怎样发现丨

上帝粒子

探测器中安置的超环面仪器抓取碰撞影像的速度可达每秒4000万次，从而在粒子级别上记录任何细微的变化。“上帝粒子”就是这样被发现的。

质子不断加速，最终以接近光速的速度运行。一秒钟要在27公里隧道里面转到超过一万亿一千五百圈。

对撞后，新粒子如何被发现呢？

“这个时候探测器会帮助我们。”钱教授告诉记者，对撞机内，有两条平行的束流管道，这就是质子运行的通道了。在整个对撞过程中，两个束流管彼此平行，从不交叉。只在四个点交汇，那就是所谓的对撞点。每个对撞点各装有一个探测器，他本人就在其中一个探测器工作。

研究中心中方研究员、粒子物理学家任忠良博士告诉记者，对撞机发射的粒子束经过这个探测器时发生碰撞，产生的粒子沿着碰撞半径方向向外发散，这些肉眼难以察觉的物理现象都会在这一高性能探测器上留下影像。探测器中安置的超环面仪器抓取碰撞影像的速度可达每秒4000万次，从而在粒子级别上记录任何细微的变化。

为处理由此产生的海量数据，3000台计算机会同时运转，从大量无效碰撞数据中选取符合研究需要的少数粒子高能对头碰撞记录并加以分析。即便如此，筛选出的有用数据量仍大得惊人。这一探测器运行一年产生的数据如用DVD光盘刻录，所有光盘铺排起来将长达7公里。

“碎片是什么粒子，运行速度有多快，能量多大？”钱教授告诉记者，探测器会将这些碎片搜集起来，同时运用一套强大的信息处理系统，将碎片的信息储存，再倒推，重现粒子本身的特质。“通过多次对撞，发现，倒推的过程，我们可以发现以前并不存在的粒子，希格斯玻色子就是这样被发现的。”

丨科学使命丨

新粒子在哪里

2035年后，CERN计划建设新一代环形对撞机，轨道总长将达100公里，以进一步寻找新粒子。

从质子发射到注入加速器系统，最后越来越快，接近光速，大概需要45分钟。从氢气瓶中产生质子，到质子达到设计的能量去对撞，对撞发生后，两束质子可以一直对撞下去，一直对撞到37小时。

希格斯玻色子发现之后，下一个新粒子是什么？目前还没有定论。不过，大型强子对撞机依然在每天坚持不懈地工作着。“质子是复合粒子，直径是10的负15次方米，相当于纳米粒子的百万分之一，尽管束流光点是16微米，但是它还是比质子本身大十亿倍，不管怎么做，大量的质子都是对撞不了，都是错过的，所以要不停地来回循环，这个过程可以持续到37小时。”任忠良说，37小时对撞周期结束后，这个束流已经耗尽了，45分钟再产生新的束流，再进行对撞。”

目前，大强子对撞机已经达到其设计能量。希格斯玻色子之后，下一个新粒子在哪里？对此，科学家认为，要进一步寻找新粒子，需建设能量和精度更高的机器。

据介绍，这台大强子对撞机会运行到2035年，此后，CERN计划建设新一代环形对撞机，轨道总长将达100公里。CERN将在5年内公布“未来环形对撞机”的完整设计报告和造价。“但在任何关于新对撞机的决定敲定前，我们需要积累更多来自LHC的结果，这些结果将决定未来选择的方向。”CERN有关负责人接受采访时说。

丨观点交锋丨

中国要不要建超大型对撞机

受访专家：关键能否吸引国家合作

2016年9月4日《知识分子》刊发了杨振宁的文章《中国今天不宜建造超大对撞机》。随后，中国科学院高能物理研究所所长王贻芳撰文《中国今天应该建造大型对撞机》驳杨振宁，由此掀起一场“中国该不该建造超大对撞机”的观点交锋。在CERN参观采访时，两位中方学者也谈了自己的看法。

“我既不同意杨振宁先生的观点，也不同意主建派的观点。”任忠良认为，中国建造超大对撞机，技术方面暂且不论，关键是能否吸引国际合作。他以大强子对撞机的一个ATLAS探测器为例进行了说明。这个探测器是由来自于38个国家，178个大学研究所，3000多个科学家，花了16年时间研制而成，本身耗资5.5亿瑞士法郎。至于运行费用，每一次运行都是一次“烧钱”的过程。他表示，仅仅是整个加速器耗电量就达到了220兆瓦，相当于日内瓦民用电量的一半，要花掉8000万到1亿瑞士法郎去运转。这些费用除了欧洲原子能研究中心外，德国、瑞士等成员国分别承担了费用。

“大强子对撞机，本身就是一个国际合作的产物。”在任忠良看来，与其花费巨额资金重新建造一个，不如中国加入进来。“这边不仅是做基础研究，还可以派大量的工程师，技术员加入到这个项目的建设里边来，从而学习各方面的高科技。”

钱思进在接受采访时谈了自己的感受，他1988年就到了欧洲原子能研究中心进行科学实验，这里花费了近60年时间才慢慢稳定下来。至于中国要不要建设超大对撞机？他认为“科学发展不能冒进。”