探访“粒子物理王国”欧洲核子研究中心

2011-2-22 09:30 来源: 新华网
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  来宾在瑞士日内瓦参观欧洲核子研究中心多媒体中心。欧洲核子研究中心位于瑞士日内瓦附近,跨瑞士和法国边境,是全球重要的粒子研究机构,重点模拟研究宇宙大爆炸之后的最初状态。

  新华网日内瓦2月21日电(记者刘洋 杨京德)从瑞士日内瓦驱车进入法国,沿途宁静的田园风光令人沉醉。这是一片位于阿尔卑斯山与汝拉山雪峰间的平原,镶嵌着一座座牧场、葡萄园、古朴村镇,而就在平原地表之下100多米深处,无数粒子或许正围绕着一个周长27公里的巨大环形设备,以接近光速运行,并剧烈碰撞。

  这不是科幻小说的虚构,而是欧洲核子研究中心最重要的设备――大型强子对撞机运转的情景。经过近两个月的技术维护后,按计划,对撞机21日再次开始运行。记者有幸在此之前,由研究中心的中方研究员、粒子物理学家任忠良博士带领,进入研究中心并探访这神秘的地下“粒子物理王国”。

  科研“地球村”

  欧洲核子研究中心建于1954年,是二战后欧洲合作的产物,但今天的研究中心早已不再局限于欧洲,而更像一个“地球村”,会聚了来自世界上80多个国家和地区、580余所大学与科研机构的近8000名科研人员,其中包括来自中国科学院高能物理研究所和山东大学等中国科研院所的近百名师生。

  漫步在研究中心园区里,可以看到宽阔的草坪上和露天咖啡座上,不同肤色、不同装束的学者三五成群地坐在一起,操各种口音的英语或法语讨论问题。

  除进行前沿物理试验外,研究中心还承担了为世界各国大学培养物理学人才的任务,许多物理学家的硕士或博士论文都在这里完成。

  研究中心洋溢着尊重科学的气氛,就连园区的各条道路都以在科学领域有重大贡献的人士名字命名。从第一个设想物质是由原子组成的古希腊哲学家德谟克利特,到发现镭和钋等放射性元素的居里夫人,他们对人类认知的贡献,以这样的方式被铭记。

  地下“粒子物理王国”

  大型强子对撞机位于日内瓦附近、瑞士和法国交界地区地下的环形隧道内。为探测质子撞击试验产生的结果,研究中心在大型强子对撞机上安装了4个探测器同时进行试验,其中最大的就是位于瑞士一侧的超环面仪器。

  经过两道严格安检后,记者跟随任忠良博士深入地下100多米的超环面仪器试验现场。站在坑道内高耸的钢结构探测器旁,如同站在希腊神话里的擎天巨神脚下,深感一己之渺小。

  这个圆柱形庞然大物高25米,长45米,重7000吨,相当于埃菲尔铁塔或100架波音747客机的重量。任忠良博士说,超环面仪器就像一架高精度巨型数字照相机。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。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。

  人造宇宙大爆炸

  为从微观世界揭开宇宙起源的奥秘,研究宇宙产生初期的环境,物理学家设计了通过粒子对撞,模拟宇宙大爆炸的试验,大型强子对撞机就是进行这一模拟过程的“利器”。

  可想而知,实现高能粒子对撞并非易事。据任忠良博士介绍,大型强子对撞机使用了超低温、超导等超越人类现有工业水平的尖端技术。

  为产生偏转粒子所需要的强磁场,对撞机采用液态氦将管道温度降至零下271摄氏度的超低温,用低温超导技术产生零电阻以保障磁场强度。此外,为维持低温,减少管道内外热量交换,还使用了真空技术,对撞机周长27公里的环形管道内的真空空间相当于巴黎圣母院的大小。

  低温还带来金属等材料热胀冷缩的问题,这就要求在管道连接处使用可滑动的接点,但可滑动连接点同时也带来另一个问题:上万个连接点中,任何一个点如因接触不良出现微小电阻,强大的电流通过时就会瞬时释放大量热能,毁掉超导状态。热量还会气化冷却管道用的液态氦,导致大爆炸。

  2008年,对撞机调试过程中就发生了一次类似事故,使整个试验的进度延后一年。研究中心花了整整一年,投入超过5000万瑞士法郎(约合5300万美元)才将设备修复。

  寻找“上帝粒子”

  大型强子对撞机目前的主要工作就是寻找希格斯玻色子。它是由英国人彼得・希格斯等物理学家在上世纪60年代提出的一种基本粒子,被认为是物质的质量之源,因此被称为“上帝粒子”。

  这种粒子就像神话中的独角兽一样难觅影踪。在粒子物理学的标准模型中,总共预言了62种基本粒子,其中的61种都已被验证,唯独希格斯玻色子始终游离在物理学家的视野之外。找到这种粒子,就找到建筑粒子物理学经典理论大厦的最后一块基石,如证明它不存在,整座大厦就要被推倒重建。

  此前,许多顶级物理研究机构曾试图通过对撞试验寻找希格斯玻色子,但都没有成功。如今,有了世界上能量级别最高的大型强子对撞机,欧洲核子研究中心的科学家对捕获这头“独角兽”充满信心。

  研究中心主任、德国粒子物理学家罗尔夫・霍伊尔说,对撞机在过去一年表现非常出色,因此大家普遍对试验充满信心。霍伊尔风趣地化用莎士比亚的名言说,希格斯玻色子存在还是不存在,这是一个问题,而这个问题的答案很可能在未来两年内揭晓。