大型強子對撞機的七宗最 平凡的人類如何尋覓宇宙創世的上帝魔法?

2021-01-15 環球科學


為什麼從九歲起，謝耳朵就夢想著去看大型強子對撞機（LHC）？

他甚至跟佩妮引發撕逼大戰…


為什麼大型強子對撞機（LHC）是全世界物理學家心目中的聖地？


人類為什麼要耗資巨大，建造史上這一最大型的科學儀器？


叩響天堂之門，平凡的人類如何尋覓宇宙創世的上帝魔法？


讓科學家們開撕的大型強子對撞機，到底是什麼，又意味著什麼？


 大型強子對撞機的所在地，黃色圓圈內是它的地下隧道，背景是日內瓦湖與群山

大型強子對撞機是人類建造過的最大的機器，它坐落於瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心日內瓦附近，橫跨法國和瑞士的邊境。它是一個圓形加速器，深埋在侏羅山地下100米，總長約27公裡（含環形隧道）的隧道內。大型強子對撞機可以使高能質子對撞，產生高能反應。


然後，能量轉變成質量，產生新的粒子。大型強子對撞機中研究的對撞過程類似於宇宙大爆炸後第一萬億分之一毫秒內的過程。這個過程將會告訴我們在宇宙形成的早期，有關物質與相互作用力的本質以及超小尺度的一些事情。你可以把大型強子對撞機看作一個超級顯微鏡，它可以讓我們在極小的尺度上看到粒子與相互作用力——這個數量級是一毫米的一億億分之一。

大型強子對撞機中的超導磁鐵需要在1.9K(即比絕對零度高出1.9°C)的溫度下運行，這是我們在宇宙中已知的最冷的大範圍區域——它甚至比太空還要寒冷。

大型強子對撞機中的超導二極磁鐵產生的磁場比地磁場強度大出10萬多倍，這是人類工業製造過的最強磁鐵。

大型強子對撞機容納質子的管道中的真空，其氣壓為大氣壓的十萬億分之一，是在大範圍區域內製造過的最完全的真空。這個系統必須摒除儘可能多的物質，以保持氦的溫度足夠低，因為任何誤入歧途的分子都有可能帶走熱量與能量。最重要的是，質子束所在的區域必須儘可能不存在氣體。


如果存在氣體，那麼質子就有可能與它發生對撞，並破壞質子束的良好環行過程。因此，質子束內部的壓強極端微小，小到是大氣壓的十萬億分之一—這是地表100萬米的高處、極端稀薄的大氣所具有的壓強。在大型強子對撞機中，9000立方米的空氣都被抽空，以迎接質子束的到來。


所謂能標是指的是能量的等級，大型強子對撞機對撞的能標是地球上使用過的最高能標，能達到7000GeV~14000GeV。它讓我們得以向回追溯最遠的時間，以研究早期宇宙中出現的相互作用。大型強子對撞機擁有著巨大的能量。它的磁場本身就蘊含著相當於數噸TNT炸藥的能量，而其中參與對撞的粒子束蘊含著前者1/10的能量。


這些能量蘊含在十億分之一克的物質中，而後者只是日常環境中亞微觀結構的一粒小灰塵物質而已。當機器中的粒子束整裝待發時，高度集中的能量都被傾入一個石墨罐中，這個罐長8米、直徑1米，由1000噸混凝土包裹起來。



大型強子對撞機技術花費不菲，每一項「最」都意味著一筆大額開銷。大型強子對撞機90億美元的身價也使它成為人類史上最燒錢的機器。歐洲核子研究中心承擔了這筆費用的2/3，從德國的20%到保加利亞的0.2%，根據自身的經濟實力，歐洲核子研究中心的20個會員國都各自作出了不等的貢獻。餘下的費用被非會員國承擔，包括美國、日本與加拿大。


歐洲核子研究中心為實驗本身付費20%，這是由國際合作組織資助的。截至2008年，當機器最終製造完畢時，美國已經有1000多名科學家為CMS(CompactMuonSolenoid，緊湊μ子線圈)與ATLAS工作，並且為大型強子對撞機這項事業貢獻了5.31億美元。



大型強子對撞機將是世界上最大、能量最高的粒子加速器，建造它的提案於25年之前首次設想，並於1994年核准。它是一個雄心勃勃的項目，然而，直到現在它的成果才「小荷才露尖尖角」。


此外，歐洲核子研究中心剛剛在國際上拓展了它的吸引力，除了它的20個會員國之外，還有53個國家都參與了大型強子對撞機的設計、建造與儀器試運行過程。現在，來自85個國家的科學家們都參與其中。


美國不是正式的會員國，然而，美國是所有國家裡為主要實驗提供最多工作人數的國家。總共有大約10000名科學家參與了工作——這也許是全球粒子物理學家總數的一半。其中20%就居住在附近，在此全職工作。



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    歐洲核子研究中心8月28日宣布，在發現「上帝粒子」——希格斯玻色子6年後，研究人員終於觀測到它衰變為被稱為底夸克的基本粒子。這一「常見衰變」的捕獲被研究人員看作是探索希格斯玻色子的裡程碑。這一難以尋覓又極為重要的「上帝粒子」被認為是解釋其他粒子如何獲取質量的關鍵。2012年7月，歐洲核子研究中心大型強子對撞機（LHC）研究人員宣布發現希格斯玻色子，這是LHC最為顯赫的成績。
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    歐洲核子研究中心的大型強子對撞機於當地時間１０日９時３０分（北京時間１０日１５時３０分）左右正式啟動，將第一束質子束流注入對撞機。世界最大粒子加速器「開撞」據9月10日出版的《環球時報》報導，格林威治標準時間10日7時30分(北京時間10日15時30分)，人類歷史上規模最大、最複雜的一次科學實驗在瑞士和法國交界的一條地下隧道內展開，科學家們啟動大型強子對撞機，把質子和離子加速到接近光速，然後相撞，模仿宇宙起源的「大爆炸」現象。
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    據國外媒體報導，大型強子對撞機設計的是目的是，通過開啟人類有史以來最大規模的研究，揭開宇宙誕生之謎。但它能否揭開大多數亞原子粒子有質量——可能標誌著希格斯粒子的存在的原因？這次大規模實驗能否揭開造物主偏愛物質、冷落反物質的原因？它能否顛覆我們對基本粒子和力的現有理解？《每日電訊報》採訪了世界上幾名理論物理學權威，請他們闡述這次對撞結果的預測。
  • 歐洲大型強子對撞機,路在何方?
    這種碰撞比大型強子對撞機中的質子-質子碰撞更精準，因為後者會產生影響測量精度的碎片。鑑於粒子對撞機需要數十年的時間才能運行起來，粒子物理學家對此素有遠見，已在著手制定一個電子-正電子對撞機的計劃，一旦大型強子對撞機在本世紀30年代中期被最終關閉，新的對撞機將立刻啟動。其中一個領先設計方案是國際線性對撞機（ILC）計劃，日本粒子物理學界最初表達了對該項目的興趣。
  • 宇宙的現狀告訴我們,地球不會被大型強子對撞機製造的黑洞毀滅?
    簡單來說，黑洞是宇宙中的某種事物，當足夠多的物質被集中在一個足夠小的區域中時，引力將變得不可阻擋，一個黑洞就產生了。即便是如同光子這樣輕盈的物質，也會淪陷在黑洞巨大的引力場中無法逃脫，所以，任何遭遇黑洞的事物最終都將被黑洞吞噬，抵抗毫無意義。當2019年4月科學界公布了人類科學史上首張真實的黑洞照片時，黑洞已不再是理論推測中的事物。
  • 大型強子對撞機的未來如何?
    大型強子對撞機已經建立了一個完整的物理程序，將一直運行到20世紀30年代初。這證明了歐洲核子研究中心（CERN）的領導層在運行大型強子對撞機。從投資回報率的角度來看，以同樣的運營模式運行加速器是一個失敗的提議。如果你以相同的能量運行並且碰撞的速率相同，那麼你的數據只是隨著時間線性地縮放。
  • 歐洲大型強子對撞機將重啟 曾證實上帝粒子存在
    新華網日內瓦4月5日電 歐洲核子研究中心(歐核中心)5日發表公報說，在經歷兩年停機維護、加固升級及數月重啟準備後，歐洲大型強子對撞機當天正式開啟第二階段運行。歐洲大型強子對撞機是目前全球最大、能量最高的粒子加速器，它通過埋入地下100米深、總長27公裡的超導磁鐵加速並碰撞粒子，可在微觀尺度上還原宇宙大爆炸後的宇宙初期形態，幫助科學家研究宇宙起源並尋找新粒子。
  • 為什麼大型強子對撞機不能給它的粒子注入更高的能量呢？
    前段時間，中國的大型強子對撞機被聲明暫時不建造，因為建造它需要耗費非常高昂的資金與人力資源，所以中國的對撞機建造暫時暫停。儘管如此，大型強子對撞機仍然是各個國家都想要擁有的科研設備，對於前沿科技發展來說，這個設備至關重要。
  • 科學家們通過使用大型強子對撞機,真的可能創造蟲洞嗎?
    科學家們通過使用大型強子對撞機，真的可能創造蟲洞嗎？大型強子對撞機是一個27公裡長的超導磁環，位於日內瓦附近的法瑞邊境175米處。它是世界上最大的機器，以90億美元的預算建造了十多年，並於2008年9月10日啟動。
  • 為什麼物理學需要大型強子對撞機以外的粒子對撞機?科學家這樣說
    暗物質、暗能量、基本常數的值，以及為什麼宇宙是由物質而不是反物質構成的起源，都是懸而未決的未解之謎。當大型強子對撞機在2008年啟動時，它被設計用來尋找標準模型的最後一個堅守者：希格斯玻色子，但是它還沒有解開其他謎團。這些粒子軌跡來自於2014年歐洲大型強子對撞機的一次高能碰撞。大型強子對撞機上令人難以置信的探測器能夠重建粒子的構成，以及它們在接近碰撞點時的表現。
  • 大型強子對撞機再創新紀錄:再現宇宙大爆炸最初狀態
    歐洲大型強子對撞機近日在1045萬億電子伏特的條件下實施鉛離子對撞實驗，對撞產生了高達數萬億攝氏度的高溫，再創新的能量級紀錄，而這一溫度高到足以再現宇宙大爆炸後最初的「原始湯」狀態。▲大型強子對撞機中的鉛離子對撞圖。大型強子對撞機再創新的能量級紀錄，而這一溫度高到足以再現宇宙大爆炸後最初的「原始湯」狀態。