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世界最大强子对撞机正式启动

http://www.sina.com.cn  2008年09月11日08:13  深圳特区报

  

世界最大强子对撞机正式启动
大型强子对撞机部件。(资料照片)
世界最大强子对撞机正式启动
来自80多个国家和地区的7000多名科学家共同参与相关实验。图为9月10日,科学家在欧洲核子研究中心观看电脑屏幕上的数据。新华社/法新
世界最大强子对撞机正式启动
大型强子对撞机位于瑞法边境地下100米深的环形隧道中。

  【据新华社消息】科学家10日在靠近法国和瑞士边境的地下实验室开启大型强子对撞机,并成功实现了第一束质子束流贯穿整个对撞机,由此开始高速粒子对撞系列实验。

  如果成功,这一系列实验将模拟宇宙大爆炸发生时的状态,有助人类进一步探索宇宙起源之谜。

  质子束流细如发丝

  当地时间10日上午9时30分左右(北京时间10日下午30分左右),随着第一束质子束流被注入对撞机,实验正式启动。负责实验的欧洲核子研究中心发言人葆拉·凯特帕诺说:“质子束流粗细如同一根头发。”

  这台对撞机是世界最大的粒子加速器,建于瑞士和法国边境地区地下100米深处的环形隧道中,隧道长近27公里。

  实验启动近一个小时后,第一束质子束流成功完成顺时针方向“首航”。

  当地时间15时30分(北京时间21时30分),第二束质子束流沿逆时针方向贯穿大型强子对撞机。

  据专家介绍,两束质子束流贯穿大型强子对撞机并反向平行运行后,极其复杂精密的调试阶段随后开始,只有在达到两束质子束流对撞所需的速度和稳定状态时才能进行对撞。

  最早今年底模拟宇宙大爆炸

  一切就绪之后,科学家才会着手准备粒子高速对撞实验,继而再现宇宙大爆炸发生后万亿分之一秒内的情形。

  装置于隧道内的超导磁铁负责为发射自两端的质子束流“掌舵”,确保它们能够在隧道内密布粒子探测器的4个压缩室内相遇。“这就好像彼此瞄准的机关枪射出子弹,”物理学家丹尼尔·丹内格瑞解释说:“一些子弹会擦身而过,一些子弹会撞击在一起。”

  据估计,粒子高速对撞实验最早有望在今年年底进行,最晚则可能在一年以后。届时,运行方向相反的两束高速质子束流将在隧道内对撞,碰撞点将释放巨大热量和能量,与宇宙大爆炸发生时的情况相仿,只是规模较小。

  当前盛行的宇宙学观点认为,宇宙起源于大约150亿年前一次大爆炸。当时所有物质高度密集于硬币大小的一点,因为温度极高发生大爆炸。爆炸发生后,物质向外膨胀形成宇宙,先后诞生星系团、星系、银河系、恒星和太阳系,以及包括地球和人类在内的一切。

  探寻“上帝粒子”

  如果最后实验成功,科学家将分析撞击中产生的数百万粒子,求证希格斯玻色子的存在。

  一旦粒子高速对撞成功,科学家将借助粒子检测器,在电脑显示器上观察撞击后的粒子如何聚拢在一起、各自散开或就此消融。

  上述条件下,科学家们有望发现希格斯玻色子是否在。在粒子物理学标准模型预言的62种基本粒子中,只有希格斯玻色子迄今仍未“显形”,因此有“上帝粒子”之称。

  这种粒子44年前据英国物理学家彼得·希格斯猜想提出,据信是物质质量之源以及电子和夸克等形成质量的基础。希格斯提出,其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋,受它的作用产生惯性,最终有了质量。如果没有质量,宇宙大爆炸后产生的物质无法形成星云和行星,生命起源更无从谈起。

  大型强子对撞机在今后10到15年内将持续进行实验,由此产生的大量粒子数据将交由全球各大学和研究机构的实验室分析。

  中国多个科研院所参与

  大型强子对撞机项目由欧洲核子研究中心发起,所涉及的人力、物力、财力和规模堪称人类历史上最大规模物理实验。

  整个项目已经耗时将近20年,耗资数十亿美元。

  来自80多个国家和地区的7000多名科学家参与了大型强子对撞机的相关实验项目。

  中国在相关实验中投资数千万元人民币并将参与物理分析。中国科学院高能物理研究所、北京大学、清华大学、中国原子能科学研究院等科研院所和高校的20多名科学家参加了部分实验。

  实验不会带来“世界末日”

  实验开始前,一些人担心粒子高速对撞释放的巨大能量会导致“黑洞”产生,吞噬地球。欧洲核子研究中心否认有这种可能性。

  这家机构的发言人吉利斯称,相关言论是“胡说”。他说,实验可能产生的最危险后果是质子束流在全速运转情况下失控,但即便如此也只会对强子对撞机造成损坏,在隧道上撞出几个坑。

  2008年6月,包括诺贝尔奖获得者在内的独立科学家提供补充报告证实了这一论断。欧洲核子研究中心主任艾马表示,对撞机可使科学家细致研究周围的自然,所谓“大型强子对撞机可能造成风险”的说法纯属耸人听闻。

  物理实验具现实价值

  粒子加速器目前在癌症治疗和医学成像方面的作用越来越显著。许多医院利用质子、碳离子甚至是反物质等带电粒子来治疗癌症。用于开发对撞机的新技术将来会在医院找到广阔的用武之地。为实验建造的超灵敏光子探测器就是一个重要的例证,此项目发言人罗杰·弗迪说:“我觉得它们在医疗领域的应用就像异花授粉。”

  纽约市立大学理论物理学教授加来道雄表示,通过实验获得的认识可能在未来数十年内用于开发新能源,比如可控的核聚变电站。微型黑洞的产生甚至可能在能源需求中扮演一个长远性的角色。

  大型强子对撞机数据之

  世界上最大机器:“大型强子对撞机”不仅是世界上最大的粒子加速器,而且也是世界上最大的机器。它位于瑞士、法国边境地区的地下100米深的环形隧道中,隧道全长26.659公里。

  地球上最快“轨道”:如果“开足马力”,数以百万计的粒子将在环形隧道内以每秒11245圈的速度“狂飙”,相当于光速的大约99.99%。

  太阳系中最“空旷”场所:为避免粒子流与气体分子发生碰撞,粒子流在超高真空的“通道”内运行,其间如同星际空间一样“空旷”,气压仅为10的负13次方个标准大气压,相当于月球大气压的大约十分之一。

  最热与最冷机器:大型强子对撞机是个既极端热又极端冷的机器。两束粒子流对撞时,碰撞点产生极端高温,可达到太阳中心温度的10万倍。而与之形成鲜明对比的是,由于采用超流体氦冷却等手段,对撞机中粒子运行的加速腔运行时的温度为零下271.3摄氏度,比遥远的太空还冷。

  全球功能最强超级计算机系统:大型强子对撞机的每一项大型实验一年所获数据都可以刻满十万张双层DVD。为分析这些数据,世界各地数以千计科学家参与之下,数万台计算机借助分布式计算网络联合运行,构成全球运算功能最强的超级计算机系统。(新华社)

  开启强子对撞机具里程碑意义

  ——访北京大学教授钱思进

  北京大学物理学院钱思进教授10日在欧洲核子研究中心接受新华社记者专访时表示:“大型强子对撞机的正式启动具有里程碑意义,为在前所未有的对撞能量下取得新发现奠定了基础。”

  参与大型强子对撞机上CMS探测器建设的钱思进介绍说,如果一切顺利,大型强子对撞机将在年底前实现两束各达5万亿电子伏特能量的质子束流对撞,此能量将是以前世界纪录的5倍。按计划,质子束流明年夏天将达到7万亿电子伏特的设计能量。

  大型强子对撞机的建造已历时十多年,难度很大,仅启动前的准备工作头绪就非常繁多。钱思进说,启动前主要是完成超导磁铁的冷却和质子束流的预加速,其中的最大难题,是将位于地下100米的27公里隧道中的数千根组成对撞机的大型超导磁铁冷却到零下271摄氏度。整个隧道分成等长的8段逐一冷却,经过不懈努力,所有磁铁最终于今年7月全部冷却成功。大型强子对撞机是世界上最大的冷却系统,共加注了1万吨液氮和130吨液氦,其中液氦用量达世界年产量的约1%。

  质子束流预加速也是个复杂过程,对每一束质子束流,从地面到地下、在室温下从质子直线加速器、小环形加速器(周长100多米)、质子回旋加速器(周长600多米)到超级质子回旋加速器(周长约7公里)都必须进行由小到大的4级预加速。(新华社记者 杨京德)

  霍金“泼冷水”

  打赌对撞机难找“上帝粒子”

  【本报综合消息】英国著名物理学家斯蒂芬·霍金9日拿出100美元打赌说,欧洲大型强子对撞机(LHC)不会帮助人类找到有“上帝粒子”之称的希格斯玻色子。

  霍金说,如果找不到希格斯玻色子,会更加激动人心。“那表明,存在某些错误,我们得重新思考。”

  质疑希格斯玻色子存在的同时,霍金说,对撞实验可能印证科学家先前提出的“超对称理论”和“弦理论”,而且“不管大型强子对撞机是否有所发现,结果都会告诉我们关于宇宙构造的许多知识”。

  参与该项目的科学家则承认,即便理论假设中的“上帝粒子”确实存在,它将在碰撞后10亿分之1秒的时间内衰变,因此要想捕捉到它极不容易。试验要想获得任何有意义的结果,也还需要多年时间。

  小词典

  粒子加速器。粒子加速器是一种用人工方法产生快速带电粒子束的装置。

  粒子对撞机。粒子对撞机是在高能同步加速器基础上发展起来的一种装置,主要作用是积累并加速相继由前级加速器注入的两束粒子流,到一定强度及能量时使其进行对撞,以产生足够高的反应能量。

  强子。强子是一种亚原子粒子,所有受到强相互作用影响的亚原子粒子都被称为强子。

  标准模型。标准模型是一套描述强作用力、弱作用力、电磁力这3种基本力以及组成所有物质的基本粒子的理论。迄今,几乎所有对这3种力的实验结果都符合这套理论的预测,但标准模型并非万有理论,因为它并没有描述引力。标准模型还有个致命缺陷,那就是无法解释物质质量的来源。

  希格斯玻色子。大型强子对撞机的重要任务之一是帮助科学家寻找标准模型中最后一种未被发现的基本粒子——希格斯玻色子。为了修补标准模型理论大厦的缺陷,英国科学家彼得·希格斯提出了希格斯场的存在,并进而预言了希格斯玻色子的存在。假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源,其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋,受其作用而产生惯性,最终才有了质量。(新华社)

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