歐洲大型強子對撞機質子束流對撞試驗首獲成功

2020-11-23 科學網
歐洲大型強子對撞機質子束流對撞試驗首獲成功
科學家認為此舉標誌著粒子物理新時代的到來

 

歐洲核子研究中心（CERN）3月30日宣布，跨越日內瓦市郊瑞士法國邊界的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，簡稱LHC）上，總能量為7萬億電子伏特的兩個束流對撞，在發生兩次故障後最終獲得成功。這是世界上目前能量最高的對撞。

 

此次對撞實驗首次向媒體開放48小時。中國科學院高能物理所CMS（緊湊繆子線圈）實驗遠程控制中心通過網絡向媒體直播了對撞實驗過程。

 

「此次對撞成功，標誌著LHC的物理研究的開始，標誌著一個激動人心的粒子物理新時代的到來。」中國科學院高能物理研究所粒子天體物理中心研究員陳國明說。

 

據悉，對撞的兩個束流，每個束流帶兩個束團，每個束團由50億個質子組成，每個質子的能量為3.5萬億電子伏特。質子的速度是光速的99.999995%（比光速慢億分之五）。按計劃，本次運行後4個月內，每個束團的質子數將上升到800億個。

 

北京時間30日下午3點左右，正當記者們在高能所CMS實驗遠程控制中心聚精會神地觀看對撞實驗時，CERN傳來消息：由於對撞機保護裝置導致束流意外丟失，對撞未能如期實現。研究人員不得不繼續對機器進行調試。

 

陳國明介紹，2008年的LHC實驗失敗，發生爆炸事故，在其後的一年多時間，CERN對LHC進行了檢修和調整，並增加了保護裝置。此次束流丟失正是此保護裝置所致。

 

不過，CERN研究人員隨即表示，這是他們意料之中的事情：「我們已經等了20年，可以再耐心等一會。」幾個小時後，CERN研究人員想要再次進行對撞，又一次發生了故障。不過，功夫不負有心人，經過進一步調試後，北京時間30日晚上7點零6分，總能量為7萬億電子伏特的兩個束流對撞成功。

 

「做科學實驗，尤其是在能量這麼高的機器上開展實驗，是一件非常有挑戰性的事情，不會像開party一樣，客人一來就可以看到慶祝的時刻。」高能所所長陳和生向記者介紹,「LHC是世界上能量最高的機器，非常複雜，在調試過程中，由於束流丟失未能如期實現對撞，並不意味此次對撞實驗失敗。北京正負電子對撞機在調試過程中也經常出現束流丟失的情況，這是調試過程中碰見的正常狀況。」

 

歐洲核子研究中心將連續運行LHC 18到24個月，以便為LHC上面的各個實驗提供足夠的數據來進行物理研究。這一階段的運行過後，LHC將關機進行徹底修理，為14TeV對撞作準備。

 

歐洲核子中心的所長Heuer說，兩年的連續運行是一個離譜的要求，但這個努力是值得的，這可以補償前次失敗所失去的時間，使物理學家們可以有機會做出他們的成果。

 

LHC：將開啟粒子物理時代

 

陳和生介紹，LHC是世界上最大的大型強子對撞機，建在周長為27公裡的環形隧道裡。隧道埋在地下50到175米處。LHC的設計目標是對撞兩個反向迴旋的質子束流。質子束流的總能量最高能達到14萬億電子伏特。

 

LHC的隧道裡安放了4個探測器CMS（緊湊繆子線圈）、ATLAS（超環面儀器）、LHCb（底夸克探測器）和ALICE（大型離子對撞機）。科學家們期望在能量為數萬億電子伏特的質子對撞中發現有意義的新物理，例如難以捉摸的黑格斯粒子，它是一種理論上預言的能解釋其他粒子質量起源的新粒子和組成暗物質的粒子，而這些暗物質構成了宇宙的大部分物質。但LHC的科學家們並不期待在第一天就發現新的粒子，因為科學研究是一個長時間的過程。

 

CMS和ATLAS兩個實驗的物理目標是尋找黑格斯、額外維度和宇宙神秘的暗物質。4個探測器中ATLAS體積最大，能佔半個巴黎聖母院。CMS大小只有ATLAS的1/6，但重量是ATLAS的1.8倍，它使用的鐵比艾菲爾鐵塔還多。它採用圓柱形超導電纜線圈，可產生4萬高斯的磁場，相當於地球磁場的10萬倍。

 

LHCb實驗將有助於人們了解為什麼宇宙中反物質不可思議地缺少。它通過研究一種稱為「底夸克」的粒子，專門對物質和反物質之間的微妙差異展開調查。

 

在這4個實驗中，3個是質子對撞實驗，只有ALICE是重離子對撞實驗。LHC將讓鉛離子進行對撞，在實驗室條件下重建「大爆炸」之後的宇宙初期形態，撞擊時產生的高溫是太陽內部溫度的10萬倍。物理學家希望看到的是，質子和中子會在這種高溫條件下「熔化」，並釋放被膠子束縛的夸克。ALICE獲得的數據將允許物理學家研究夸克—膠子等離子體的性質和狀態。

 

建造LHC的設想是在上世紀80年代初提出的，有人設想利用當時還在計劃中的大型正負電子對撞機27公裡長的隧道建造能量更高的對撞機。1984年在瑞士洛桑召開的學術討論會上成立了幾個工作組去研究質子對撞中的物理學。1994年2月，歐洲核子中心理事會批准了這一計劃。1995年，LHC的技術設計報告被公布。1998年4月，土木工程開工。

 

中國：積極貢獻力量

 

據悉，有來自約40個國家大約3000名科學家參加了CMS和ATLAS實驗。

 

中國是參加CMS實驗的40多個國家之一，有4家科研單位參與CMS實驗。其中，中國科學院高能物理研究所和北京大學組成的CMS中國組成功建造了1/3的端部繆子探測部陰極條室和阻性板室，並參與擬定了CMS技術設計報告。中國科學院上海矽酸鹽研究所向CMS提供了核心探測材料——用於電磁量能器的5000餘根自主研製的鎢酸鉛（PWO）閃爍晶體。中國科技大學參與了電磁量能器的研製。CMS中國合作組在高能所建立了CMS實驗遠程控制中心，與CERN和美國費米實驗室一起輪班承擔CMS實驗的一部分實時控制工作。

 

ATLAS中國組包括中國科學院高能物理研究所、山東大學、中國科技大學和南京大學四個單位。對ATLAS實驗的繆子探測器和電磁能量器的設計和建造作出了重要貢獻。

 

目前，CMS和ATLAS實驗的中國科學家正積極參與探測器日常運行值班和非常複雜的模擬數據分析，為用即將獲取的實驗數據發現包括黑格斯在內的新粒子和新物理作準備。

 

高能所的計算中心建立了LHC數據分析的網絡平臺，有2500個CPU，加入全球LHC的實驗數據分析網絡，為中國物理學家和世界各國的物理學家服務。

 

《科學時報》 (2010-3-31 A1 要聞)

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