科学家通俗解读世界最大强子对撞机:寻找占宇宙成分96%的暗物质暗能量
我国科学家参与的国际性大科学工程之一——大型强子对撞机今日对撞成功。本报记者第一时间连线中国科学院高能物理研究所相关专家，通俗解读大型强子对撞机的重要意义。
欧洲核子研究中心宣布，3月30日日内瓦时间13点06分(北京时间19点06分),跨越日内瓦市郊、瑞士和法国边界的大型强子对撞机(LHC)上，总能量为7万亿电子伏特的两个束流对撞成功。这次迄今为止世界上能量最高的对撞，标志着大型强子对撞机物理研究的启动，拉开了粒子物理新时代的序幕，人类开始寻找占宇宙成分96%的暗物质和暗能量。
大型强子对撞机创造的科学之最
中科院高能物理研究所研究员陈国明介绍说，这一世界上最大的大型强子对撞机，建在周长为27公里、埋入地下50到175米处的环形隧道中。它的设计目标是对撞两个反向回旋的质子束流，总能量高达14万亿伏特。这次实验预计达到的能量是设计目标的一半。根据科学家们的设定，每个质子的能量为3.5万亿电子伏特。质子的速度是光速的99.999995%(比光速慢亿分之五)。
大型强子对撞机的隧道里安放了四个探测器CMS(紧凑缪子线圈)、ATLAS(超环面仪器)、LHCb(底夸克探测器)和ALICE(大型离子对撞机)。科学家们希望通过这些探测器，在能量为数万亿电子伏特质子对撞中发现有意义的新物理。
大型强子对撞机创造了许多科学之最。超环面仪器是世界上最大的探测器，有半个巴黎圣母院大。紧凑缪子线圈是世界上最重的探测器，铁的使用量比埃菲尔铁塔还多。它采用的圆柱形超导电缆线圈是世界上最大的超导线圈，可产生4万高斯的磁场，相当于地球磁场的10万倍。
大型强子对撞机揭开物理学新纪元
紧凑缪子线圈、超环面仪器两个实验的物理目标是寻找希格斯粒子(Higgs)、额外维度和宇宙中神秘的暗物质。希格斯是一种理论上预言的新粒子，它能解释其他粒子的质量起源。
LHCb实验将帮助我们了解为什么宇宙中反物质不可思议地缺少。它通过研究“底夸克”粒子，专门对物质和反物质之间的微妙差异展开调查。
大型离子对撞机则是重离子对撞实验。铅离子对撞后，在实验条件下重建“大爆炸”后的宇宙初期形态，撞击时产生的高温将是太阳内部温度的10万倍。物理学家希望看到的是，质子和中子会在这种高温条件下“熔化”，并释放被胶子束缚的夸克。
陈国明认为，LHC将揭开物理学的新纪元。“上世纪初，牛顿理论看似完美，几乎可以解释一切，只有迈克尔逊—莫雷实验和黑体辐射实验得不到解释。在当时这被称为美丽天空中飘着的两朵乌云。正是这两朵乌云导致了相对论和量子力学的诞生，引起了一场科学革命。”今天，相对论和量子力学也不再完美，“现在对宇宙的观测表明，物理学能解释的仅占宇宙成分的4%，其余96%由暗物质和暗能量构成，它们的本质我们全然不知。这是一朵更大的乌云。如果大型强子对撞机能够找到暗物质，将引起科学的另一次革命，从而揭开物理学的新纪元。”
我国科学家参与其中
此次对撞成功后，欧洲核子研究中心将连续运行LHC18到24个月，以便为LHC上面的各个实验提供足够的数据来进行物理研究。各个实验将先找到那些已知的标准模型的粒子，然后去寻找Higgs粒子和超对称粒子。欧洲核子中心专家解释说，如果Higgs粒子的质量在160GeV(单位，十亿电子伏特)附近，那么ATALS和CMS实验就有可能用这一段时间所取得的数据找到Higgs粒子，如果太轻或太重则不太可能在今后的24个月当中被发现。对于超对称粒子，如果它的质量小于800GeV，则能在今后的两年内被发现。
陈国明是CMS实验中国组物理研究负责人，他介绍说，中国是参加CMS实验的40多个国家之一,有四家科研单位参与了CMS实验。“中国科学院高能物理研究所和北京大学组成的CMS中国组成功地建造了三分之一的端部缪子探测器阴极条室和阻性板室，并参与拟定了技术设计报告。中国科学院上海硅酸盐研究所向CMS提供了核心探测材料——用于电磁量能器的5000余根自主研制的钨酸铅闪烁晶体。中国科技大学参与了电磁能量器的研制。设于高能所的CMS远程控制中心，将与在CERN和美国费米实验室一起轮班承担CMS实验的一部分实时监控工作。”
中国科学院高能物理研究所金山研究员是ATLAS中国组的负责人。他说，ATLAS中国组包括中国科学院高能物理研究所、山东大学、中国科技大学和南京大学。“CMS与ATLAS目的几乎一致，两个实验的结果可以互相检测和印证。”目前，CMS与ATLAS实验的中国科学家正积极参与探测器日常运行值班和非常复杂的模拟数据分析。
中国科学家参与的另一项重要工作就是LHC数据分析的网格平台。中国科学院高能物理研究所计算中心主任陈刚研究员介绍说，对撞会产生很多粒子，这些粒子被探测器捕捉和记录，这些数据反馈到计算机上经过事例重建、物理模拟、物理分析等计算过程才能得到结果。“这是一个庞大的计算量。如果把LHC一年获得的数据刻成光盘，能够垒起20公里的高塔，需要10万个CPU分秒不停计算一年。”陈刚说：“这是任何一个国家都无法独立完成的任务，因此全球科学家联合起来建立了网格平台，中国是其中之一。”
这一阶段的运行过后，LHC将关机进行彻底的修理，为14万亿电子伏特对撞作准备。欧洲核子中心的所长Heuer说，“两年的连续运行是一个离谱的要求，但这个努力是值得的，这可以补偿前次的失败所失去的时间，使物理学家们可以有机会做出他们的成果。”
记者 齐芳
(本报北京3月30日电)
|
