科学家10日在靠近法国和瑞士边境的地下实验室开启大型强子对撞机,由此开始高速粒子对撞系列实验。
如果成功,这一系列实验将模拟宇宙大爆炸发生时的状态,有助人类进一步探索宇宙起源之谜。
质子束流细如发丝
当地时间10日上午9时38分(北京时间10日15时38分),随着一束质子束流注入对撞机,实验正式启动。负责实验的欧洲核子研究中心发言人葆拉·凯特帕诺说:“质子束流粗细如同一根头发。”
这台对撞机是世界最大的粒子加速器,建于瑞士和法国边境地区地下100米深处的环形隧道中。
5秒钟后,实验项目位于日内瓦的控制室内电脑收到信号,显示实验进展顺利。
开足马力的对撞机能够确保数万亿粒子以高速流过将近27公里长的地下隧道,最高速度将近每秒钟30万公里,相当于光速的99.99%。以如此高速,质子束流每秒可在隧道内狂飙11245圈,单束能量达到7万亿电子伏特。
不过,10日实验注入对撞机的质子流运动速度相对较慢,每隔几公里为一段,在隧道中移动。这是为了检测所有设备是否运行正常,包括安装在隧道壁上为数不少的粒子探测器。
实验启动近一个小时后,两个白点在控制室的电脑屏幕上闪烁,显示质子束流已经沿隧道环绕一周。在场科学家欢呼鼓掌,庆祝第一束质子束流成功完成顺时针方向“首航”。
这以后,科学家将多次重复粒子加速测试,不断提高束流速度,尝试从顺时针和逆时针两个方向反复实验。
模拟宇宙大爆炸
一切就绪之后,科学家才会着手准备粒子高速对撞实验,继而再现宇宙大爆炸发生后万亿分之一秒内的情形。
着手粒子高速对撞实验之前,科学家会尝试从两个方向同时发射质子束流,以较低强度进行粒子对撞。
装置于隧道内的超导磁铁负责为发射自两端的质子束流“掌舵”,确保它们能够在隧道内密布粒子探测器的4个压缩室内相遇。“这就好像彼此瞄准的机关枪射出子弹,”物理学家丹尼尔·丹内格瑞解释说:“一些子弹会擦身而过,一些子弹会撞击在一起。”
现阶段尚未确定进行粒子高速对撞实验的日期。吉利斯说,实验初始阶段将以较低速度、较小规模进行粒子对撞。“我们在能量较低时积累经验,熟悉机器性能后再进行对撞。”
据估计,粒子高速对撞实验最早有望在今年年底进行,最晚则可能在一年以后。届时,运行方向相反的两束高速质子束流将在隧道内对撞,碰撞点将释放巨大热量和能量,与宇宙大爆炸发生时的情况相仿,只是规模较小。
当前盛行的宇宙学观点认为,宇宙起源于大约150亿年前一次大爆炸。当时所有物质高度密集于硬币大小的一点,因为温度极高发生大爆炸。爆炸发生后,物质向外膨胀形成宇宙,先后诞生星系团、星系、银河系、恒星和太阳系,以及包括地球和人类在内的一切。
探寻“上帝粒子”
如果最后实验成功,科学家将分析撞击中产生的数百万粒子,求证希格斯玻色子的存在。
一旦粒子高速对撞成功,科学家将借助粒子检测器,在电脑显示器上观察撞击后的粒子如何聚拢在一起、各自散开或就此消融。
上述条件下,科学家们有望发现希格斯玻色子是否在。在粒子物理学标准模型预言的62种基本粒子中,只有希格斯玻色子迄今仍未“显形”,因此有“上帝粒子”之称。
这种粒子44年前据英国物理学家彼得·希格斯猜想提出,据信是物质质量之源以及电子和夸克等形成质量的基础。希格斯提出,其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋,受它的作用产生惯性,最终有了质量。如果没有质量,宇宙大爆炸后产生的物质无法形成星云和行星,生命起源更无从谈起。
大型强子对撞机在今后10到15年内将持续进行实验,由此产生的大量粒子数据将交由全球各大学和研究机构的实验室分析。
史上最大实验
大型强子对撞机项目由欧洲核子研究中心发起,所涉及的人力、物力、财力和规模堪称人类历史上最大规模物理实验。
大型强子对撞机的研究对象是微小的粒子,但这台机器本身却体积庞大,包括埋藏在地下100米深处的将近27公里长环形隧道。整个项目已经耗时将近20年,耗资数十亿美元。
来自80多个国家和地区的7000多名科学家参与了大型强子对撞机的相关实验项目。中国在相关实验中投资数千万元人民币并将参与物理分析。中国多个科研机构和多所大学的研究人员参加了部分实验。
袁原 (新华社供本报特稿)
中国科研院校
参与部分实验
在大型强子对撞机上的4个大实验中,来自80多个国家和地区的7000多名科学家和工程师共同参与制造、维护和运行4个大探测器并进行数据分析。中国在这4个大实验中投资数千万元人民币并将参与物理分析。中国科学院高能物理研究所、北京大学、清华大学、中国原子能科学研究院、中国科技大学、南京大学、山东大学、华中师范大学和华中科技大学等科研院所和高校的科研人员参加了部分实验。
北京大学物理学院钱思进教授当天在位于日内瓦郊区的欧洲核子研究中心接受新华社记者专访时表示:“(开启强子对撞机)这具有里程碑意义,为在前所未有的对撞能量下取得新发现奠定了基础。”
9月10日,在位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心的新闻中心,科学家观看电脑屏幕上的数据。
新华社/法新
每次对撞都会喷出大量粒子,绝大多数是已知粒子,但偶尔也会出现一些新奇的粒子。
自从1980年“大型强子对撞机(LHC)”构想首度出现以来,历经近30年,这一“世界上最大机器”终于从梦想成为现实,10日投入运行,以下为与这台对撞机相关的数据“之最”:
1、世界上最大机器:“大型强子对撞机”不仅是世界上最大的粒子加速器,而且也是世界上最大的机器。它位于瑞士、法国边境地区的地下100米深的环形隧道中,隧道全长26.659公里。
2、地球上最快“轨道”:如果“开足马力”,数以百万计的粒子将在环形隧道内以每秒11245圈的速度“狂飙”,相当于光速的大约99.99%。
3、太阳系中最“空旷”场所:为避免粒子流与气体分子发生碰撞,粒子流在超高真空的“通道”内运行,其间如同星际空间一样“空旷”,气压仅为10的负13次方个标准大气压,相当于月球大气压的大约十分之一。
4、最热与最冷机器:大型强子对撞机是个既极端热又极端冷的机器。两束粒子流对撞时,碰撞点产生极端高温,可达到太阳中心温度的10万倍。而与之形成鲜明对比的是,由于采用超流体氦冷却等手段,对撞机中粒子运行的加速腔运行时的温度为零下271.3摄氏度,比遥远的太空还冷。
5、全球功能最强超级计算机系统:大型强子对撞机的每一项大型实验一年所获数据都可以刻满十万张双层DVD。为分析这些数据,世界各地数以千计科学家参与之下,数万台计算机借助分布式计算网络联合运行,构成全球运算功能最强的超级计算机系统。
(据新华社电)
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欧洲大型强子对撞机之“最”
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“迷你”黑洞
没啥可怕
新华社北京9月10日电(记者潘治)在许多人看来,黑洞就如同一个能吞噬万物的怪兽一样可怕,不过多方科学家的仔细推算和反复研究证明,10日启动的欧洲大型强子对撞机即便真的能造出黑洞,也只是个超级“迷你”、“短命”的黑洞,根本不会对地球造成任何影响。
综合欧洲核子研究中心、美国加利福尼亚大学等多个科研机构发布的消息,科学家们尽管并不能肯定大型强子对撞机绝对不会制造出黑洞,但却确信即使真的制造出黑洞,它也不能吞噬周边物质乃至整个地球。
根据测算,一个大型强子对撞机里制造出的黑洞,其尺度仅为百亿亿分之一米(10的负18次方米),存在时间仅为十亿分之几阿秒(1阿秒为10的负18次方秒)。由于它存在的时间是如此之短,根本不能吞噬任何周边的物质,因此不可能对地球构成任何危害。
黑洞通常是由庞大的恒星在生命结束之后自我坍缩形成的,是一种体积极小、质量极大的天体,在它周围的一个区域里,连光也无法逃逸出去。早在2001年就有科学家提出,大型强子对撞机能把大量能量压缩在很小的空间里,也会形成黑洞。不过科学家也指出,与恒星坍塌形成黑洞过程极为缓慢相反,这种“人造黑洞”的消逝可能“会像雪花消融一样容易”。
实验可能产生的最危险后果是质子束流在全速运转情况下失控,但即便如此也只会对强子对撞机造成损坏,在隧道上撞出几个坑。
新华社专电 英国著名物理学家斯蒂芬·霍金9日拿出100美元打赌说,定于10日启动的欧洲大型强子对撞机(LHC)不会帮助人类找到有“上帝粒子”之称的希格斯玻色子。
英国物理学家彼得·希格斯1964年预言存在希格斯玻色子,视之为物质质量之源。希格斯提出,其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋,受它作用产生惯性,获得质量。
科学家希望能在对撞机的对撞能量帮助下,探秘希格斯玻色子和其他未解之谜。
霍金告诉英国广播公司(BBC)记者:“对撞机把能量增加到通常粒子研究所需能量的4倍。根据现有观点,这应当足以找到希格斯玻色子。”
“不过,我认为,如果找不到希格斯玻色子,会更加激动人心。那表明,存在某些错误,我们得重新思考,”他补充道,“我拿100美元,赌我们找不到希格斯玻色子。”
霍金掏100美元
赌找不到“上帝粒子”
1、粒子加速器。粒子加速器是一种用人工方法产生快速带电粒子束的装置。它利用一定形态的电磁场将电子、质子或重离子等带电粒子加速,能提供速度甚至接近光速的各种高能量的带电粒子束,是人们改变原子核和基本粒子、认识物质深层结构的重要工具。
2、粒子对撞机。粒子对撞机是在高能同步加速器基础上发展起来的一种装置,主要作用是积累并加速相继由前级加速器注入的两束粒子流,到一定强度及能量时使其进行对撞,以产生足够高的反应能量。
3、强子。强子是一种亚原子粒子,所有受到强相互作用影响的亚原子粒子都被称为强子。
4、标准模型。标准模型是一套描述强作用力、弱作用力、电磁力这3种基本力以及组成所有物质的基本粒子的理论。迄今,几乎所有对这3种力的实验结果都符合这套理论的预测,但标准模型并非万有理论,因为它并没有描述引力。标准模型还有个致命缺陷,那就是无法解释物质质量的来源。
5、希格斯玻色子。大型强子对撞机的重要任务之一是帮助科学家寻找标准模型中最后一种未被发现的基本粒子——希格斯玻色子。为了修补标准模型理论大厦的缺陷,英国科学家彼得·希格斯提出了希格斯场的存在,并进而预言了希格斯玻色子的存在。假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源,其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋,受其作用而产生惯性,最终才有了质量。标准模型预言了62种基本粒子的存在,其他粒子基本都已被实验证实,唯有希格斯玻色子仍未现身。
(据新华社电)
名词解释