作者:张巧玲 来源:科学时报 发布时间:2010-3-31 8:50:40
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欧洲大型强子对撞机质子束流对撞试验首获成功
科学家认为此举标志着粒子物理新时代的到来

 
欧洲核子研究中心(CERN)3月30日宣布,跨越日内瓦市郊瑞士法国边界的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,简称LHC)上,总能量为7万亿电子伏特的两个束流对撞,在发生两次故障后最终获得成功。这是世界上目前能量最高的对撞。
 
此次对撞实验首次向媒体开放48小时。中国科学院高能物理所CMS(紧凑缪子线圈)实验远程控制中心通过网络向媒体直播了对撞实验过程。
 
“此次对撞成功,标志着LHC的物理研究的开始,标志着一个激动人心的粒子物理新时代的到来。”中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心研究员陈国明说。
 
据悉,对撞的两个束流,每个束流带两个束团,每个束团由50亿个质子组成,每个质子的能量为3.5万亿电子伏特。质子的速度是光速的99.999995%(比光速慢亿分之五)。按计划,本次运行后4个月内,每个束团的质子数将上升到800亿个。
 
北京时间30日下午3点左右,正当记者们在高能所CMS实验远程控制中心聚精会神地观看对撞实验时,CERN传来消息:由于对撞机保护装置导致束流意外丢失,对撞未能如期实现。研究人员不得不继续对机器进行调试。
 
陈国明介绍,2008年的LHC实验失败,发生爆炸事故,在其后的一年多时间,CERN对LHC进行了检修和调整,并增加了保护装置。此次束流丢失正是此保护装置所致。
 
不过,CERN研究人员随即表示,这是他们意料之中的事情:“我们已经等了20年,可以再耐心等一会。”几个小时后,CERN研究人员想要再次进行对撞,又一次发生了故障。不过,功夫不负有心人,经过进一步调试后,北京时间30日晚上7点零6分,总能量为7万亿电子伏特的两个束流对撞成功。
 
“做科学实验,尤其是在能量这么高的机器上开展实验,是一件非常有挑战性的事情,不会像开party一样,客人一来就可以看到庆祝的时刻。”高能所所长陈和生向记者介绍,“LHC是世界上能量最高的机器,非常复杂,在调试过程中,由于束流丢失未能如期实现对撞,并不意味此次对撞实验失败。北京正负电子对撞机在调试过程中也经常出现束流丢失的情况,这是调试过程中碰见的正常状况。”
 
欧洲核子研究中心将连续运行LHC 18到24个月,以便为LHC上面的各个实验提供足够的数据来进行物理研究。这一阶段的运行过后,LHC将关机进行彻底修理,为14TeV对撞作准备。
 
欧洲核子中心的所长Heuer说,两年的连续运行是一个离谱的要求,但这个努力是值得的,这可以补偿前次失败所失去的时间,使物理学家们可以有机会做出他们的成果。
 
LHC:将开启粒子物理时代
 
陈和生介绍,LHC是世界上最大的大型强子对撞机,建在周长为27公里的环形隧道里。隧道埋在地下50到175米处。LHC的设计目标是对撞两个反向回旋的质子束流。质子束流的总能量最高能达到14万亿电子伏特。
 
LHC的隧道里安放了4个探测器CMS(紧凑缪子线圈)、ATLAS(超环面仪器)、LHCb(底夸克探测器)和ALICE(大型离子对撞机)。科学家们期望在能量为数万亿电子伏特的质子对撞中发现有意义的新物理,例如难以捉摸的黑格斯粒子,它是一种理论上预言的能解释其他粒子质量起源的新粒子和组成暗物质的粒子,而这些暗物质构成了宇宙的大部分物质。但LHC的科学家们并不期待在第一天就发现新的粒子,因为科学研究是一个长时间的过程。
 
CMS和ATLAS两个实验的物理目标是寻找黑格斯、额外维度和宇宙神秘的暗物质。4个探测器中ATLAS体积最大,能占半个巴黎圣母院。CMS大小只有ATLAS的1/6,但重量是ATLAS的1.8倍,它使用的铁比埃菲尔铁塔还多。它采用圆柱形超导电缆线圈,可产生4万高斯的磁场,相当于地球磁场的10万倍。
 
LHCb实验将有助于人们了解为什么宇宙中反物质不可思议地缺少。它通过研究一种称为“底夸克”的粒子,专门对物质和反物质之间的微妙差异展开调查。
 
在这4个实验中,3个是质子对撞实验,只有ALICE是重离子对撞实验。LHC将让铅离子进行对撞,在实验室条件下重建“大爆炸”之后的宇宙初期形态,撞击时产生的高温是太阳内部温度的10万倍。物理学家希望看到的是,质子和中子会在这种高温条件下“熔化”,并释放被胶子束缚的夸克。ALICE获得的数据将允许物理学家研究夸克—胶子等离子体的性质和状态。
 
建造LHC的设想是在上世纪80年代初提出的,有人设想利用当时还在计划中的大型正负电子对撞机27公里长的隧道建造能量更高的对撞机。1984年在瑞士洛桑召开的学术讨论会上成立了几个工作组去研究质子对撞中的物理学。1994年2月,欧洲核子中心理事会批准了这一计划。1995年,LHC的技术设计报告被公布。1998年4月,土木工程开工。
 
中国:积极贡献力量
 
据悉,有来自约40个国家大约3000名科学家参加了CMS和ATLAS实验。
 
中国是参加CMS实验的40多个国家之一,有4家科研单位参与CMS实验。其中,中国科学院高能物理研究所和北京大学组成的CMS中国组成功建造了1/3的端部缪子探测部阴极条室和阻性板室,并参与拟定了CMS技术设计报告。中国科学院上海硅酸盐研究所向CMS提供了核心探测材料——用于电磁量能器的5000余根自主研制的钨酸铅(PWO)闪烁晶体。中国科技大学参与了电磁量能器的研制。CMS中国合作组在高能所建立了CMS实验远程控制中心,与CERN和美国费米实验室一起轮班承担CMS实验的一部分实时控制工作。
 
ATLAS中国组包括中国科学院高能物理研究所、山东大学、中国科技大学和南京大学四个单位。对ATLAS实验的缪子探测器和电磁能量器的设计和建造作出了重要贡献。
 
目前,CMS和ATLAS实验的中国科学家正积极参与探测器日常运行值班和非常复杂的模拟数据分析,为用即将获取的实验数据发现包括黑格斯在内的新粒子和新物理作准备。
 
高能所的计算中心建立了LHC数据分析的网络平台,有2500个CPU,加入全球LHC的实验数据分析网络,为中国物理学家和世界各国的物理学家服务。
 
《科学时报》 (2010-3-31 A1 要闻)
 
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