大型強子對撞機

“上帝粒子”將揭開神秘面紗

京報網 www.bjd.com.cn 日期:2008-04-14 09:18 網絡編輯: 康琪雪

世界上體積最大、能量最強的粒子加速器——“大型強子對撞機”（LHC）。Sipa攝

在40多年前預言了希格斯玻色子存在的英國物理學家彼得·希格斯,日前在參觀歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(LHC)時對媒體說:“幾乎可以確定,很快就可以發現希格斯玻色子。”

“標准模型”藏致命缺陷

未被發現的基本粒子“上帝粒子”有望找到

人們早已發現,自然界中物體之間千差萬別的相互作用,可以簡單劃分為4種力，即引力、電磁力、維持原子核的強作用力和產生放射衰變的弱作用力。

在愛因斯坦的相對論解決了重力問題後,人們開始嘗試建立一個統一的模型,以期解釋通過後3種力相互作用的所有粒子。

經過長期研究和探索,科學家們建立起被稱為“標准模型”的粒子物理學理論,它把基本粒子(構成物質的亞原子結構)分成3大類:誇克、輕子與玻色子。“標准模型”的出現,使得各種粒子如萬鳥歸林般擁有了一個共同的“家園”。但是這一“家園”有個致命缺陷,那就是該模型無法解釋物質質量的來源。

未被發現的基本粒子

為了修補上述理論大廈的缺陷,英國科學家彼得·希格斯提出了希格斯場的存在,並進而預言了希格斯玻色子的存在。

假設出的希格斯玻色子是物質的質量之源,是電子和誇克等形成質量的基礎。其他粒子在希格斯玻色子構成的“海洋”中游弋,受其作用而產生慣性,最終才有了質量。爾後所有的粒子在除引力外的另3種力的框架中相互作用,統一於“標准模型”之下,構築成大千世界。

“標准模型”預言了62種基本粒子的存在,這些粒子基本都已被實驗所證實,而希格斯玻色子是最後一種未被發現的基本粒子,但是它的存在卻是整個“標准模型”的基石。因此,尋找該粒子,被比喻為尋找粒子物理學領域的“聖杯”,也被稱為“上帝粒子”,充滿了神秘色彩。

“上帝粒子”有望找到

自從希格斯預言這一粒子存在以來,科學家們就一直試圖在實驗中發現該粒子從而證實其存在,但至今所有努力均告失敗。

於2003年開始興建的歐洲大型強子對撞機位於法國和瑞士邊境地區地下100米深、約27公裡長的環形隧道中,耗資總計約20億美元,預計將於今年6月正式開始運行。屆時,它將憑借能使單束粒子流能量達到7萬億電子伏特而成為世界上能級最高的對撞機。

科學家普遍期望在這一對撞機的幫助下,能夠在前所未有的對撞能量下取得包括發現希格斯玻色子在內的新發現。

不過希格斯認為,發現希格斯玻色子未必一定需要大型強子對撞機的幫助。他說,迄今已運行多年的美國費米實驗室的萬億電子伏特加速器(Tevatron)可能已經獲得了希格斯玻色子存在的數據,“這是可能的……希格斯玻色子的身影可能已存在於他們獲得的數據中了,只是還沒有從數據分析中找到而已”。

出生於1929年的希格斯說,希望能在迎來自己80歲生日前證實希格斯玻色子的存在。他幽默地說:“如果屆時還是沒有發現,那我只能祝願自己活得再長久一些了。”但他強調,如果總是不能證實希格斯玻色子的存在,那麼他將“非常、非常困惑”,因為他“無法想像除此之外還能怎樣解釋物質是如何獲得質量的”。(據新華社日內瓦4月12日電)

大型強子對撞機創世界之最

1919年,盧瑟福用天然放射源實現了第一個原子核反應,即利用阿爾法粒子轟擊氮、氟、鉀等元素的原子核發現了質子。不久,人們就提出了用人造快速粒子源來改變原子核的設想。

簡單地說,粒子加速器是一種用人工方法產生快速帶電粒子束的裝置。它利用一定形態的電磁場將電子、質子或重離子等帶電粒子加速,能提供速度甚至接近光速的各種高能量的帶電粒子束,是人們改變原子核和基本粒子,認識物質深層結構的重要工具。20世紀30年代初以來,回旋加速器、靜電加速器相繼問世。爾後,人們又陸續發明了各種高能加速器。

20世紀50年代初,有人開始考慮利用對撞粒子束來獲得更高能量,並進而發明了粒子對撞機。粒子對撞機是加速器的一種,其主要作用是積累並加速相向運行的兩束粒子流,到一定強度及能量時使其進行對撞,以產生足夠高的反應能量。

自從1980年“大型強子對撞機(LHC)”的構想首度出現以來,歷經近30年,這一“世界上最大的機器”終於從夢想成為現實,即將於今年全部建成並開始投入運行。“大型強子對撞機”不僅是世界上最大的粒子加速器,而且也是世界上最大的機器。它位於瑞士、法國邊境地區的地下100米深的環形隧道中,隧道全長26.659公裡。

如果“開足馬力”,數以百萬計的粒子將在環形隧道內以每秒11245圈的速度“狂飆”,約等於光速的99.99%,是地球上最快的“軌道”。

為避免粒子流與氣體分子發生碰撞,粒子流都在超高真空的“通道”內運行,其間如同星際空間一樣“空曠”,氣壓僅為10的負13次方個標准大氣壓,比月球上的大氣壓還小10倍,堪稱太陽系中最“空曠”的地方

大型強子對撞機是個既極端熱又極端冷的機器。當兩束粒子流對撞的時候,碰撞點將產生極端高溫,可以達到太陽中心溫度的10萬倍。而與之形成鮮明對比的是,由於采用了超流體氦冷卻等手段,對撞機中粒子運行的加速腔在工作時的溫度僅為零下271.3攝氏度(1.9開),比遙遠的太空還要冷。

作為全球最強大的超級計算機系統,大型強子對撞機上進行的每一個大型試驗一年所獲得的數據,可以刻滿十萬張雙層DVD。為了對這些數據進行分析,世界各地成千上萬名科學家都參與進來,他們所使用的數萬台甚至數十萬台計算機借助分布式計算網絡(網格計算)聯合在一起,這也構成了全球最強大的超級計算機系統。(據新華社北京4月13日電)

時評
粒子物理學的“聖杯”究竟有多美?

新華社記者 潘 治

追求完美無疑是人類的天性之一。希格斯玻色子這一粒子物理學的“聖杯”是如此之完美,使得自英國科學家彼得·希格斯於上世紀60年代預言其存在之後,人類便開始對它孜孜不倦地尋找。盡管漫漫40余年來人類的很多努力都已宣告徒勞,但這依舊沒有改變人類尋找它的信念。

“聖杯”的現實之美,在於它完美地解釋了物質質量之源,進而完美地支撐起了整個“標准模型”的理論大廈。“聖杯”的抽像之美,在於它標志著人類在探索物質構成之謎的道路上樹立了一座豐碑,進而將幫助人們看到微觀世界的終極美景。

在現有科技條件下,各種加速器是人類尋找希格斯玻色子的最佳實驗裝置。伴隨著能級越來越高的各種加速器相繼建成,人們對發現“聖杯”的期望也越來越大。即將於今年6月投入運行的歐洲核子研究中心的大型強子對撞機,其單束粒子流能量將達7萬億電子伏特,在成為迄今最為強大的加速器的同時,也將人類發現“聖杯”的期望激發至最高。

有了更好的探尋工具,發現“聖杯”的可能性就越大,這樣的邏輯並沒有錯。而且,還有越來越多的間接證據使研究者認為希格斯玻色子很可能存在。例如,“標准模型”中預言的其他粒子已經逐一被發現。此外,希格斯玻色子假說本身比較完善,為尋找這種神秘粒子指出了方向。

但是另外一個簡單的邏輯是:希格斯玻色子是在假設的前提下出場的,它是否存在迄今依然未知。即便有,也未必就一定能發現。這樣的事實可能令人沮喪,但我們並不該因此而回避這一事實。而且實際上,“標准模型”並非是惟一的有關理論體系,早有科學家另行提出了“超對稱理論”、“弦理論”等等。

確實,科學在很多時候都會展現出完美的一面,但完美卻不能成為主宰科學的法則。我們承認,有了希格斯玻色子,“標准模型”將會更完美,人類對物質世界的認知將會前進一大步。但即便沒有希格斯玻色子,我們人類生存的世界也不會因此而變得不完美,也不會妨礙未來人類另辟蹊徑繼續探尋物質世界的奧秘。

追尋科學“聖杯”是無數科學家虔誠的目標,但我們確信,科學家們並非是對“聖杯”本身保持虔誠,他們的虔誠,只屬於追尋科學真理本身。