大型強子對撞機

尋找“上帝粒子”

《財經》記者 於達維　　總第220期　出版日期：2008-09-15


大型強子對撞機的“容器”投入使用，意味著人類歷史上規模最大的一次物理試驗正式開始

在歐洲正式啟動的大型強子對撞機，或將能夠填補完美描述宇宙力量之源的最後一塊“拼圖”

　　幾乎全世界的物理學家都在等待的一刻，終於到了。

　　北京時間9月10日15時30分，在位於法國與瑞士邊界的侏羅（Jura）山百米深處，一束質子被正式注入一個周長達27公裡的巨大環形“容器”中，第一次完成了圍繞整個環路的運行。

　　這標志著，這個名為大型強子對撞機（The Large Hadron Collider，LHC）的“容器”正式投入使用。人類歷史上規模最大的一次物理試驗正式開始。負責運營這一設備的歐洲核子中心（CERN），以及來自 80多個國家和地區的2000多名科學家，已經耗費了14年的時間和大約400億元人民幣。

　　LHC的新聞發言人詹姆斯吉利斯（James Gillies）在接受《財經》記者采訪時稱，人類歷史上還從來沒有建造過如此大規模的儀器。而其中所用到的很多技術，在20年前甚至根本不存在。

　　在這些難以計算的付出背後，科學家們所期待的可能“獎賞”也將是十分豐厚的，那就是人類有望第一次捕捉到“上帝粒子”的蛛絲馬跡，從而補上完美描述宇宙力量之源的最後一塊“拼圖”。

“審判”標准模型

　　我們身邊的世界萬物，是由什麼構成的？又是如何構成的？這個問題是人類文明面對的終極問題之一。

　　到了上世紀50年代，隨著現代物理學的進展，人們已經認識到，原子構成萬物。原子內部又可以細分為原子核和電子，而原子核又可以細分為質子和中子等基本粒子。這些粒子之所以能組成更為宏觀的物質，則有賴於電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用以及引力作用這四種基本的“力量之源”。

　　但是，有沒有可能通過一種模型，把這些不同的基本力、組成所有物質的基本粒子的所有物理現像統一起來，以便呈現給人們一個更加簡單、和諧的畫面？上世紀60年代，美國科學家溫伯格（Steven Weinberg）等人建立的“標准模型”（standard model），就朝著這個方向邁出了重要一步。

　　作為20世紀物理學的最重要成就之一，標准模型成功地將自然界四大作用力中除了引力的電磁、弱、強相互作用統一起來，並預言存在61種基本粒子。到了 1995年，隨著美國費米實驗室宣布頂誇克被發現，這一模型所預言的61種基本粒子中，已經有60種成功地得到了實驗數據的支持和驗證。

　　現在，只要人們找到最後一種粒子——希格斯（Higgs）粒子，構建在標准模型之上的大廈就將完美無缺了。

　　實際上，希格斯粒子之所以被稱為“上帝粒子”（God particle），除了它是這個“拼圖”中殘缺的最後一塊，還因為這種粒子對於整個標准模型都起著基石的作用。

　　在標准模型中，所有基本粒子都可以分為費米子和玻色子兩類。其中，費米子組成物質，玻色子則負責傳遞費米子之間的各種作用力。至今神龍見首不見尾的希格斯粒子，就屬於玻色子“家族”。

　　對於標准模型而言，它所遇到的惟一真正具有挑戰性的問題，是質量起源的問題。它無法解釋，在大爆炸瞬間原本只有能量沒有質量的宇宙，是如何產生有質量的費米子和玻色子，並進而演化出無數星系乃至世間萬物的。

　　正是為了解決這個難題，1964年，英國物理學家希格斯（P. W. Higgs）提出了“希格斯機制”（Higgs mechanism）。在這種機制中，各種粒子通過與希格斯場相互作用而獲得質量，與希格斯場相互作用強的質量就大；反之，質量就小。而希格斯粒子則是希格斯場的場量子化激發的產物，它可以通過自相互作用而獲得質量。

　　有人曾做過一個絕妙比喻，各種粒子通過希格斯場的過程，就像讓一把勺子穿過厚厚的蜂蜜。不同材料做成的勺子，往往上面“沾”上的蜂蜜不同，即被賦予的質量也不同。

　　所以，希格斯粒子是否存在的答案，可能是完成粒子物理標准模型，實現其完美統一的最後一塊“拼圖”，也可能是摧毀整個標准模型，迫使其做出修改的“最後一根稻草”。換句話說，這是一種對整個標准模型頗具“審判”意味的粒子。

　　中國科學院高能物理所研究員陳國明在接受《財經》記者采訪時就表示，如果希格斯粒子存在，標准模型就可以解釋已知的相互作用和粒子的性質；但假如它不存在，幾乎注定會在科學界引起一次地震，“科學革命就要來臨了”。

從加速到對撞

　　對撞機的主要原理，是積累並加速相繼由加速器注入的兩束粒子流，到一定強度和能量時使其迎頭對撞。與利用高能粒子轟擊靜止靶相比，利用相向運動的高能粒子束進行對撞，粒子間相互作用的效率更高。所以，近20年來，對撞機成為人類探索粒子世界最主要的手段。

　　目前的對撞機類型，包括正負電子對撞機、電子直線對撞機、電子－質子對撞機、質子－反質子對撞機和質子－質子對撞機。

　　1961年，造價相對較低、技術也相對簡單的正負電子對撞機首先投入運行。位於北京西郊的中科院高能物理研究所內的北京正負電子對撞機（BEPC），雖然只是一台中小型的對撞機，但自1990年正式運行以來，仍然幫助中國取得了一批在國際高能物理界有影響的研究成果。

　　不過，電子畢竟質量有限，對撞能量和強度自然也有所限制，因此，早在1984年，正在籌建大型正負電子對撞機（Large Electron-Positron Collider，LEP）的CERN，就已經開始討論以後如何利用LEP那27公裡長的巨大環路來建造更強大的設備。

　　因為對撞能量和強度越高，對撞產生新的粒子和新的現像的可能越大，所以，他們決定采用質量相當於電子1836倍的質子進行對撞，並將這一計劃命名為大型強子對撞機。“強子”就是指受到強相互作用影響的亞原子粒子，又分為重子和介子，其中，重子就包括了質子、中子和超子等。

　　1994年12月，CERN委員會最終批准了這一計劃，並決定用質子作為對撞粒子，預計可實現能量高達14萬億電子伏特（Tev）的質子相互碰撞。整個工程總投資當時估計約40億美元，由歐盟20個國家和美國、日本、俄羅斯、印度等國共同出資。

　　不過，由於工程進度的不確定性和材料價格的上漲，LHC工程曾一度陷於停滯，預算也一再提高。

　　現在的LHC，由1232塊超導偏轉磁鐵、392塊超導四極磁鐵和超過2500塊的其他磁鐵構成兩條並列的環形隧道；兩束相反方向的質子束將在其中被電磁場中加速到接近光速，然後進行長達幾小時的反向繞行。在這段時間裡，粒子會在LHC中作4億圈繞行，在每一圈，粒子束會在指定的、放有探測器的地點每秒產生6億次相互碰撞。

曙光在望

　　據《財經》記者了解，中國科學家分別參與了這四個探測項目的實施，他們來自中科院高能物理所、清華大學和華中師範大學。

　　中國科學院高能物理所研究員陳國明告訴《財經》記者，LHC作為目前世界上能量最高的對撞機，每秒鐘就可以對撞400萬次，平均每次有23對質子相撞。由於單個質子的能量為7TeV, 這樣對撞總能量為14TeV；這個能量，相當於現役最高水平的美國費米實驗室Tevatron的7倍之多。

　　作為一個直觀的比較，當逐步達到最大值後，LHC所產生的每一個粒子束的1000億個質子所攜帶的能量，相當於一輛400噸重的火車以每小時200公裡速度運行時的能量。

　　“這樣高能的對撞，將把質子完全撞碎，相當於模擬了宇宙大爆炸起始的狀態。”他解釋說。

　　正是由於LHC可以產生令人生畏的高能量，今年4月，40多年前預言了希格斯粒子存在的英國物理學家希格斯，以78歲高齡參觀LHC時曾對媒體表示：“幾乎可以確定，（LHC正式投入運行後）很快就可以發現希格斯粒子。”

　　早在2000年，CERN的科學家在LEP上獲得的數據就表明，希格斯粒子質量很可能為115GeV（1GeV=10億電子伏特）。

　　今年8月，美國費米實驗室剛剛宣布，他們的萬億電子伏特正負質子對撞機（Tevatron）以95％的准確率，排除了希格斯粒子質量在170GeV以上的可能性。

　　美國費米實驗室物理學家科特萊斯曼（Kurt Riesselmann）在接受《財經》記者采訪時表示，根據過去的實驗結果，希格斯粒子的質量大概在115GeV到200GeV之間。

　　實際上，在兩年前國際科學界已經把希格斯粒子質量95％的可能性放在了115GeV到153GeV之間。不過，在清華大學物理系教授莊鵬飛看來，雖然可能性有95％，但也無法排除希格斯粒子質量在這一區間之外的可能。

　　原則上說，對撞機產生的碰撞能量越大，所能掃描的希格斯質量範圍就更大。鑒於費米實驗室可以探測的質量上限已經達到了170GeV，這自然更讓科學家對LHC寄予厚望。

　　“科學家們都希望從LHC發現更多驚喜，由於它的能量是Tevatron的7倍，這就意味著它可以把粒子壓縮到更小的距離上，以更大的精確度研究物質、能量、空間和時間的結構。”萊斯曼補充說。

當然，由於即便LHC現在啟動，得到准確的數據往往也要在兩年之後，所以，費米實驗室也已經決定把Tevatron對撞機的運行時間延長到2010年。

“麻煩制造者”

　　由於LHC還未正式啟動，它能否帶來一場革命仍是一個未知數，但麻煩卻已經悄然而至。

　　2007年3月，美國學者沃爾特瓦格納（Walter L. Wagner）和西班牙學者路易斯桑喬（Luis Sancho）在位於夏威夷的檀香山地方法院，將CERN告上了法庭。

　　他們認為，CERN並未認真評估LHC所存在的危險，它的運行可能誕生一種迷你黑洞；而可以吞噬一切的黑洞，這將會吞噬地球。因此，他們提出，在安全性得到嚴格認證之前，LHC不能啟動。

　　除了迷你黑洞，亦有人擔心LHC的高能量撞擊，會產生致命的宇宙射線、奇異物質（strangelet）、真空泡沫甚至磁單極子，從而對人類文明構成威脅。


　　針對這些擔心，9月5日，在LHC正式啟動前五天，CERN發布了針對LHC安全性的迄今為止最完整的報告，指出LHC不過是在實驗室中再現了自然世界經常發生的粒子撞擊。該報告是對2003年首次完成的安全報告的一次補充。

　　雖然所產能的質子束能量巨大，但對於單個質子而言，攜帶的能量和一只飛行的蚊子不相上下。因此，根據愛因斯坦的相對論，LHC所產生的能量，根本不足以制造出所謂的“迷你黑洞”。

　　即使如一些新理論所預言的那樣，由於額外的維度空間的存在，產生迷你黑洞的門檻被大大降低了，這也同樣不會對地球構成威脅。因為這些迷你黑洞在很短的時間內就會完全分解掉，根本來不及對外界物體進行加速，更不用說造成任何可以看到的宏觀影響了。

　　至於LHC所產生的宇宙射線威脅，報告指出，在地球之外的外層空間中，產生的很多宇宙射線的能量遠超出LHC。地球在過去的億萬年間，相當於經受了百萬次“天然”的LHC實驗，但結果是這顆星球安然無恙。實際上，整個宇宙幾乎每秒都在進行著10萬億次LHC實驗，但迄今為止，人們沒有觀測到任何星系或者星星因此受到傷害。

　　這份報告指出，如果LHC中的粒子碰撞產生的後果會毀滅地球，那麼地球根本沒有機會存在，因為如果這樣的撞擊會產生毀滅性的結果，那麼地球或者其他地球這樣的天體早就被毀滅了。“這樣的情況早已在地球上發生成千上萬次了。”

　　不過，美國費米實驗室的科特萊斯曼博士告訴《財經》記者，即使希格斯粒子能夠被發現，也並不能解答所有的問題，比如什麼是暗物質、什麼是暗能量、中微子在宇宙演化中起了什麼作用等。

　　正是因為意識到LHC的局限性，國際物理學界也已經計劃采用國際大型直線對撞機（International Linear Collider，ILC）作為新一代的高能物理對撞機，以克服環形電子對撞機向更高能區發展時遇到能量損失問題。

　　擬議中的直線對撞機是一台超高能量的正負電子對撞機，它由兩台大型超導直線加速器組成，分別將正負電子加速到250GeV的能量，對撞能量則可達到 500GeV，以後還可以提高到1TeV。它將建造在總長約40公裡的地下隧道裡，預計最快也要等到2016年前後才能建成。

　　中國科學院高能物理所研究員陳國明對《財經》記者表示，如果把LHC比喻成“砸開核桃的榔頭”的話，ILC就是個用來分析的“手術刀”，可以仔細分核仁的性質。

　　據透露，這個儀器耗資大概為67億美元，最大的可能是在美國、日本、德國建造。當然，它具體的架構還要看LHC的結果，或許至少也要等到20年以後也未可知。■