世界上最神秘的研究中心？一同探尋宇宙與物質的本源

2020-09-04 GMIC

在法國與瑞士邊界的地下，隱藏了一座巨大的研究中心，聚集了代表最頂尖智慧的一群人，試圖向前推動人類對世界認知的邊界。
這個世界上最神秘的研究中心，就是歐洲粒子物理實驗室（CERN）。



什麼是CERN？

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歐洲粒子物理實驗室（CERN）成立於1954年，橫跨日內瓦附近的法瑞邊境。
第二次世界大戰過後，歐洲的科學不再領先於世界，部分有遠見的科學家提出建設歐洲原子物理實驗室（也就是後來的CERN)，以「和平科學（Science for Peace）」為口號，推動歐洲科學復興。


CERN的公約規定：「本組織不涉及任何軍事目的與需求，其所有實驗和理論工作的結果將向世界廣泛公布。」


國家，大學和科學家之間的合作是CERN研究的原動力。
CERN聚集了世界上半數的粒子物理學家。大約有2500名員工參加了研究基礎設施的設計，建造和運營。他們和來自110多個國家和地區的12200多名廣大科學家群體一同，對實驗的準備和操作、數據收集與分析做出貢獻。

好奇心與人類伴生同行，這也是CERN的存在理由。


實驗室成立時，物質的結構還是一個謎。 隨著科學家們的不斷努力，今天，我們知道宇宙中所有可見物質都是由數量非常少的粒子組成的，它們的行為受四個不同的力支配。而CERN在我們達成對物質的現有理解上發揮了至關重要的作用。


CERN的主要研究方向是粒子物理學，也就是研究物質的基本成分，但是實驗室的研究範圍絕不僅限於此。從核物理到高能物理，從反物質研究到宇宙射線的可能影響……更多的研究旨在幫助揭示宇宙的組成及其運作方式，以擴大人類知識的疆界。



CERN如何尋求物質本源的答案？ _

如果要研究物體的內部結構，我們會怎麼做？通常我們會把物體砸開進行觀察。但如果物體已經小到難以破壞，同時顯微鏡也無法觀測了呢？


於是，科學家們發明了粒子對撞機。


粒子對撞機的工作原理，形象地說，就像是通過加速器讓兩個機械以超高的速度撞擊使其粉碎，同時記錄飛出來的零件的形狀、大小、和位置等信息，經過多次的分析、計算，以重現機械的內部結構。


通過加速器使粒子對撞，成為長久以來人們了解構成物質的微小粒子結構的主要途徑。


比如早在1911年，盧瑟福通過α粒子散射實驗發現了原子的核式結構模型，在此基礎上，英國科學家查德威克進而在1932年發現了原子核的質子-中子結構。實際上，大部分粒子都是通過粒子對撞發現的。


CERN自成立以來，一直致力於通過提供一系列獨特的粒子加速器設施，使研究走在人類知識的最前沿。


在1960年代，粒子物理理論不斷發展，以在同一框架中解釋兩種力-弱力和電磁力。1970年代，CERN的實驗為這些想法提供了第一批實驗證據。而後在1980年代，W和Z玻色子（弱力的載體）的發現證實了該理論。CERN的研究人員西蒙·范德·邁爾（Simon van der Meer）和卡洛·魯比亞（Carlo Rubbia）共同因這一發現而獲得了1984年諾貝爾物理學獎。


在1990年代，根據這一發現設計的CERN實驗以極高的精度測試了所謂的電弱理論，並將其置于堅實的實驗基礎上。


大型強子對撞機(Large Hadron Collider，LHC) （圖片：CERN）

2008年，CERN在在瑞士日內瓦總部建設的大型強子對撞機LHC（Large Hadron Collider）啟動初次測試。


它是現在世界上最大、能量最高的粒子加速器，坐落於日內瓦附近瑞士和法國的交界侏羅山地下100米深，總長17英裡（約27.3公裡）的隧道內。


LHC就像時光機。科學家希望，能夠在對撞機幫助下，重塑大爆炸發生後的百萬分之一秒內的瞬間狀況，以窺探當宇宙能量密度極高時，粒子的存在形式，探秘&34;(Higgsboson)，&34;，&34;等其他未解之謎。


大型強子對撞機（LHC）可以把粒子加速到99.999991%光速的速度。這差不多是我們加速的極限了。兩股質子束飛馳環行近27.3公裡，然後相撞產生亞原子粒子。在對撞的一瞬間，能量以數以萬計的粒子的形態轉化為物質。大部分粒子我們已知，但我們更關注的是未知粒子的產生。


2012年 LHC的CMS實驗發現希格斯玻色子（圖片：CERN）


2012年7月4日，CERN宣布LHC的的緊湊渺子線圈（CMS）和超環面儀器（ATLAS）探測到兩種新玻色子，極像希格斯玻色子（Higgs Boson）。2013年3月14日，CERN正式宣布此前探測到的新粒子被確認是希格斯玻色子（Higgs Boson）。


弗朗索瓦·恩格勒（François Englert）、彼得·希格斯（Peter Ware Higgs）也因此榮獲2013年諾貝爾物理學獎。


但這在我們在了解世界的路上只是小小的一步。關於希格斯玻色子還有很多要學習的東西，關於宇宙中物質如何以及為什麼如此的問題，還有許多困惑。


因此，大型強子對撞機LHC於2018年12月啟動了名為「高亮度大型強子對撞機」（HL-LHC）的大規模升級檢修，計劃於2026年完全完工並投入使用。據稱，升級後的設備將比此前強力7倍。



還有一些意想不到的驚喜？ _

基礎研究是CERN的主要任務，但實驗室在開發未來技術方面也起著至關重要的作用。


粒子物理學嘗試利用一切可行的方法，達到觀測和發現粒子的目的。從材料科學到計算，粒子物理都要求極致的性能，使CERN成為工業上重要的試驗臺。


全球資訊網發明者，蒂姆·伯納斯·李（T.J. Berners-Lee）（圖片：CERN）

對於我們今天的許多人來說，沒有網絡的生活似乎是不可想像的。1989年，在CERN工作的蒂姆·伯納斯·李（T.J. Berners-Lee）發明了一個新的網絡系統，使在世界各地的物理學家能夠參與、獲取、協同處理CERN的實驗數據，並且將這一系統對全世界開放。這就是我們後世一直使用的全球資訊網（WorldWide Web, WWW)。


另外，粒子物理學的研究需要成熟的放射源、粒子加速技術和控制技術，由此分支出了醫學物理中的放療學科。喬治·查帕克（Georges Charpak）於1968年發明的檢測器可以製作X射線圖像。在1980年代為CERN實驗開發的晶體現在在PET掃描儀中無處不在。如今，CERN獨特的專業知識和技術已廣泛用於與醫療診斷和成像，治療以及健康應用的計算和模擬等領域。


同時，航天任務以及地下加速器和探測器基礎設施都必須應對極端環境，提出的嚴格技術要求常常與CERN重合。因此，CERN的技術，設施和專業知識也被用於許多航天任務，在航空科學和技術領域中發揮著至關重要的作用。



沒有粒子物理學的專業知識，許多領域的進步將會非常緩慢。CERN一直致力於把人類認知的邊界向前推進，探索技術前沿，造福所有人。


在「GMIC 在線 Pro」，我們特別邀請到來自這個實驗室的知名粒子物理學家Harry Cliff，帶領我們走進CERN，探討最先進的大型強子對撞機(LHC)的工作原理和物理學家們希望從中發現的奧秘。

9月25日，GMIC 在線 Pro，我們不見不散。

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