大型強子對撞機的重離子注入器
《參考消息》駐日內瓦記者 王昭 劉洋報導 歐洲核子研究中心(CERN)位於瑞士和法國兩國邊境,從日內瓦市中心駕車不過20分鐘車程。CERN不僅是著名情景美劇《生活大爆炸》中男主角「謝爾頓」、「萊納德」仰慕嚮往的「科學聖殿」,還是暢銷書作家丹·布朗筆下具有極大能量的「反物質」的誕生地。
7月4日,CERN宣布,大型強子對撞機上的兩個實驗組均發現一種新的粒子,它具有和科學家們多年以來一直尋找的「上帝粒子」希格斯玻色子相一致的特性,這使CERN再次成為學界與公眾聚焦的焦點。為此,本報記者專程前往採訪。
主攻大型科學實驗
CERN一側靠近日內瓦連接法國的一條繁忙公路,另一側則是寧靜的葡萄園。進入園區,實驗室外觀更像工廠廠房,管道密布。
CERN創立於1954年,是世界上規模最大的粒子物理學實驗室,位於瑞士日內瓦近郊,橫跨在瑞法邊界上,由歐洲20個會員國共同管理,與包括中國在內的45個國家籤署了合作協議。來自113個國家的608所高校、科研院所的萬名研究人員在這裡從事研究工作,他們約佔全世界粒子物理學家的一半。
中國科研人員也參與其中並作出了貢獻。包括中科院高能物理所、北京大學、清華大學在內的多所院校、研究機構數十位師生在國家的支持下參加了大型探測器部件的研製、生產、安裝和運行及數據和物理分析工作,這對於大型強子對撞機的實驗起著不可或缺的作用。
該中心預算經費(每年約10億瑞郎,1瑞郎約合1.02美元)來自於會員國繳納的會費,主要用於建設和運行大型實驗裝置,如2008年投入使用的總造價50多億瑞郎的大型強子對撞機。而做實驗的大型探測器(每個耗資五六億瑞郎)本身所需經費則由參與研究的物理學家及為他們提供財政支持的機構負責籌措。
這樣的模式保證了「集中力量辦大事」,用最先進的設備、最發達的科研條件吸引全世界頂尖人才,又通過他們吸引到所需的資金;與此同時,設備、人才的聚集保證了「大科學實驗」得以實施,為取得重要科研成果奠定了基礎。
接近光速的「奧德賽之旅」
古希臘史詩《奧德賽》中,主人公奧德修斯歷經艱辛後終返家鄉,成就英雄事跡。今天,小小的質子正在CERN內的大型強子對撞機中進行著接近光速的「奧德賽之旅」,其任務只有一個,那就是探測人類當前對物理學能夠了解到的所有粒子,特別是被稱為「上帝粒子」的希格斯玻色子,據信這種粒子在大爆炸之後宇宙形成的過程中扮演了重要角色。
參與歐洲核子研究中心大型強子對撞機實驗多年、正在參加探測器運行值班的北京大學物理學院教授錢思進告訴記者,CERN的「看家法寶」大型強子對撞機是現在世界上最大、能量最高的粒子加速器,是將質子加速對撞的高能物理設備。兩個質子束流能量各為7TeV(1TeV為10的12次方電子伏),相當於此前全球最大的強子對撞機能量的7倍。愛因斯坦有一個重要的公式,能量=質量×光速的平方(E=MC2),能量越高,我們能撞出的質子的質量就越大,這意味著,大型強子對撞機具備完成此前「不可能完成的任務」的能力。
大型強子對撞機每年多數時間進行質子對撞,另有小部分時間進行重離子對撞。氫是世界上結構最簡單的化學元素,氫原子只有一個質子和一個電子,科研人員將電子從氫原子中剝離出去,然後將約100萬億個質子集中在一起形成質子包,並將質子包射入長度約為三四十米的直線加速器,質子包由此進入漫長的旅程。從數量上看,100萬億確實是個天文數字,不過100萬億個質子形成的質子包,其直徑還比不上一根頭髮絲的粗細。