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大型强子对撞机规模升级 将深入了解"上帝粒子"

http://www.kexue.com 2013-08-05 15:31:48 新浪科技  发表评论


欧洲核子研究组织的大型强子对撞机,一名工作人员站在多功能探测器CMS(紧凑渺子线圈实验的英文缩写,以下简称CMS)下面

一名工作人员在CMS前方走过。CMS是大型强子对撞机的一部分

  一年前,欧洲核子研究组织的大型强子对撞机发现了有着“上帝粒子”之称的希格斯玻色子。这是科学研究史上最伟大的发现之一。现在,强子对撞机的电脑屏幕一片漆黑,控制台前没有任何人影,用于进行质子束对撞的巨型超冷却环形隧道也是空空如也。不过,这种安静只是一种假象。幕后,科学家正在紧张工作,对强子对撞机进行一次大规模升级。这次升级能够让对撞机帮助科学家进一步扩大知识的边界。

  大型强子对撞机是世界上最大的粒子对撞机。科学家通过让质子束在对撞机的巨型环形隧道内进行对撞模拟大爆炸,用以搜寻神秘莫测的上帝粒子。一年前,强子对撞机通过质子束对撞实验确定了有着“上帝粒子”之称的希格斯玻色子的可能形态。长久以来,科学家便一直在寻找这种赋予宇宙万物质量的神秘粒子。

  大型强子对撞机的环形隧道长27公里,座落于法国-瑞士边境地下100米。2013年2月,强子对撞机关机,随后进行为期18个月的检查。在2015年重启对撞实验时,欧洲核子研究组织的科学家将利用升级后的对撞机探测暗物质、暗能量和超对称。超对称理论与希格斯玻色子齐名,于半个世纪前提出。

  在工程师将目光聚焦技术方面的任务之时,物理学家则在分析对撞机自2010年以来获取的海量数据,希望能够从中发现更多“金矿”。欧洲核子研究组织的蒂兹诺-卡姆珀勒斯表示:“比较容易做的事情我们都已经做完了。现在,我们要进行深入研究,寻找我们未知或者此前不可知的东西。我们经常说天文学家的工作更简单一些,因为他们能够看到自己正在寻找的东西。”

  大型强子对撞机的粒子对撞将能量转化成质量,对撞实验的目标是在亚原子碎片中搜寻基本粒子,帮助科学家进一步了解宇宙。满功率运转时,强子对撞机每秒可进行5.5亿次对撞。对撞机操作组负责人麦克-拉蒙特表示:“我们将尽可能增加对撞次数。对撞次数就像是我们的奶油和面包。对撞产生的绝大多数数据都不是让人非常感兴趣的东西。对海量数据进行筛选是一项巨大挑战,但我们需要通过筛选剔除无用的数据,从中挑选中我们感兴趣的东西。”对撞机的环形隧道安装了很多适用于太空飞船的装置。有趣的是,工作人员骑着“卑微”的自行车进行巡查。

  借助于欧洲核子研究组织的超级计算机,物理学家对质子束对撞产生的数据进行分析,通过这种分析进一步加深对宇宙的了解。欧洲核子研究组织的发言人詹姆斯-基勒斯表示:“我们希望了解粒子的行为,了解它们为何以及如何聚集在一些,在微观尺度下构成我们称之为原子和核子的极其微小的东西,在较大尺度下构成我们称之为人、椅子和建筑的日常事物,以及在更大尺度下构成行星、恒星系统和星系。”

  对于外行人来说,欧洲核子研究组织进行的研究过于复杂,很难理解。对此,研究人员正在寻找简化的方式。底夸克探测器项目发言人皮耶路易吉-坎帕纳开玩笑地说:“所有人都知道电子是什么,尤其是在将手指插入电源插座的时候。”坎帕纳的团队证实了标准模型,准确度和可信度创历史之最。标准模型于上世纪70年代提出,是粒子物理学的基本理论框架。

  坎帕纳的团队对Bs粒子的变化进行了有史以来最精确的测量。测量结果显示,在每10亿个Bs中,只有极少数衰变成更小的粒子μ介子并且是成对出现。在专家们眼里,这一发现足以与发现有着“上帝粒子”之称的希格斯玻色子相提并论。

  希格斯玻色子由英国物理学家彼得-希格斯1964年提出,用于解释一种怪异的现象,即为何一些粒子拥有质量,而其他粒子——例如光线——没有质量。据信,希格斯玻色子就像是泡在糖浆中的叉子。当把这个叉子举起来,暴露于充满灰尘的空气中时,一些灰尘穿过叉子,绝大多数灰尘粘在叉子上。换句话说,获得质量。质量产生引力,引力将粒子聚集在一起。
 
  标准模型是一项可信赖的理论,但仍无法解释引力,也无法解释暗物质和暗能量。暗物质和暗能量在宇宙的构成中占绝大多数比重,科学家根据普通物质受到的影响推断出它们的存在。一些物理学家支持超对称理论。这一理论认为每一种已知粒子都有与之相对称的镜像粒子。吉勒斯表示:“我们拥出了相应的理论,可以描述我们周围所有的正常可见物质。不过,可见物质在宇宙中的比重只有大约5%左右。”

  大型强子对撞机取代1989年至2000年服役的大型电子-正电子对撞机。这台对撞机2008年服役,后来因出现故障不得不进行为期1年的整修。强子对撞机对撞时的能量达到8 TeV,相比之下,大型电子-正电子对撞机只有0.2 TeV。在投入5000万瑞士法郎(约合5100万美元)进行升级之后,强子对撞机进行对撞实验时产生的能量可达到14 TeV。物理学家乔尔-古尔德斯特恩表示:“每次分析完大量数据,总有人找个理由,开香槟庆祝。随着数据分析工作的继续,这样的理由越来越少。”(孝文)

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