生存還是毀滅？

坐落于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心(又名歐洲粒子物理實驗室)，橫跨法國和瑞士的邊境。大型強子對撞機是世界上最大、能量最高的粒子加速器，是一種將質(zhì)子加速對撞的高能物理設(shè)備，英文名稱為LHC(Large Hadron Collider)。它是一個圓形加速器，深埋于地下100米，它的環(huán)狀隧道有27公里長，因此走完全程要花4個多小時。你可以將百慕大、摩納哥和4個梵蒂岡塞進它所占的區(qū)域內(nèi)。2008年09月10日大型強子對撞機正式投入使用，以下是有關(guān)這個巨無霸的簡單介紹：

它有什么用途?

加深人類對宇宙的了解。比如：宇宙的起源是什么?獲得新發(fā)現(xiàn)的科學家將帶頭研發(fā)相關(guān)的實際應(yīng)用，這就是為何數(shù)百名科學家和工程師建造此對撞機的原因。

它為什么這么大?

事實上，你應(yīng)該問為什么它這么小，答案是為了節(jié)省成本。物理學家們沒有開鑿一條昂貴的新隧道來容納新的對撞機，而是決定拆掉原來安置在歐洲原子核研究中心的正負電子加速器，代之以建造大型強子對撞機所需要的5萬噸設(shè)備。當兩個質(zhì)子束在環(huán)形隧道中沿著反方向運動的時候，強大的電場使它們的能量急劇增加，這些粒子每運行一圈，就會獲得更多的能量。要保持如此高能量的質(zhì)子束繼續(xù)運行需要非常強大的磁場，這么強的磁場是由冷卻到接近絕對零度的超導電磁體產(chǎn)生的。

誰在為它工作?

來自大約80個國家的600名科學家和工程師，其中包括20余名中國科學家。

成本

大約25億美元。

對撞機工作過程

啟動后，大型強子對撞機將會以近光速的速度投放出質(zhì)子與離子束，并將讓此粒子束彼此撞擊，之后記錄此撞擊所發(fā)生的結(jié)果。

對撞機工作原理

簡單地說，你沿著2條路徑發(fā)出2束粒子，一束順時針方向前進，另一束逆時針方向前進。你將這兩束粒子加速至近光速，之后讓它們相向前進，看看會發(fā)生什么。

首先科學家剝?nèi)湓拥碾娮右陨a(chǎn)出質(zhì)子來，之后這些質(zhì)子進入LINAC2，將質(zhì)子束射向此加速器的機器叫“Ps Booster”。這些機器利用叫“射頻空腔”的裝置來加速這些質(zhì)子，這些空腔包含有射頻電場，能將質(zhì)子束提高到更快的速度。巨大磁鐵產(chǎn)生的磁場可以維持質(zhì)子束在軌道中正常行進。以汽車術(shù)語來說，此射頻空腔相當于加速器。而磁鐵相當于方向盤。

一旦質(zhì)子束到達適當?shù)哪芰克剑琝"PS Booster”就會將它導入另一個加速器叫“超級質(zhì)子同步(SPS)”，讓質(zhì)子繼續(xù)加速前進。至此，此質(zhì)子束已經(jīng)被分成了2，808束。每一束含有1.1x1011個質(zhì)子。

之后，“超級質(zhì)子同步(SPS)鏘質(zhì)子束導入大型強子對撞機，其中一束順時針方向前進，另一束逆時針方向前進。在大型強子對撞機里，質(zhì)子束將繼續(xù)加速前進，大約20分鐘達到頂峰速度。在此頂峰速度下，此質(zhì)子束將每秒繞行大型強子對撞機11，245周。

這兩柬質(zhì)子將會在大型強子對撞機沿途6個探測器位置中的1個聚合。在此位置上，它們將每秒發(fā)生6億次撞擊。當兩個質(zhì)子撞擊時，它們就會分裂成更小的粒子，包括亞原子粒子——夸克和緩和力——膠子(一種理論上假設(shè)的無質(zhì)量的粒子)。此外，它們還會產(chǎn)生光子、正電子和u介子。之后，探測器將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)格計算機系統(tǒng)。

并非每一個質(zhì)子都會和另一個質(zhì)子發(fā)生撞擊。沒有發(fā)生撞擊的質(zhì)子將繼續(xù)在質(zhì)子束中運行，進入束流收集器。此束流收集器由石墨組成，將能吸收此質(zhì)子束，以防大型強子對撞機里出現(xiàn)意外故障。

創(chuàng)造之最

世界最大粒子對擅機、世界上最大的機器

大型強子對撞機的精確周長是2.6659萬米，內(nèi)部總共有9300個磁體。不僅大型強子對撞機是世界上最大的粒子加速器，而且僅它的制冷分配系統(tǒng)的八分之一。就稱得上是世界上最大的制冷機。制冷分配系統(tǒng)在充滿近60噸液態(tài)氦，將所有磁體都冷卻到零下271.3攝氏度前，它將先利用1.008萬噸液態(tài)氮將這些磁體的溫度降低到零下193.2攝氏度。

世界上最快的跑道

功率達到最大時，數(shù)萬億個質(zhì)子將在大型強予對撞機周圍的加速器環(huán)內(nèi)以每秒1.1245萬次的頻率急速穿行，它們的速度是光速的99.9999991％。兩束質(zhì)子束分別以70000億電子伏特的最大功率相向而行，在功率達到140000億電子伏特時發(fā)生碰撞，每秒總共能發(fā)生大約6億次撞擊。

太陽系中的最空的空間

為了避免加速器中的粒子束與空氣分子相撞，這些粒子束在像行星間的空間一樣空蕩的超真空環(huán)境中穿行。大型強子對撞機的內(nèi)壓是10的負13次方個大氣壓，比月球上的壓力小10倍。

銀河系中最熱的熱點，但比外太空要冷

大型強子對撞機是一個極熱和極冷的機器。當兩束質(zhì)子束相撞時，它們將在一個極小的空間內(nèi)產(chǎn)生比太陽中心熱10萬倍的高溫。與之相比，促使超流體氦在加速器環(huán)周圍循環(huán)的制冷分配系統(tǒng)，讓大型強子對撞機保持在零下271.3攝氏度的超低溫環(huán)境下，這個溫度比外太空的溫度還低。

有史以來最大最先進的探測器

為了抽樣檢查和記錄每秒多達6億次的質(zhì)子相撞結(jié)果，物理學家和工程師已經(jīng)制造了測量粒子的精確度是微米的龐大儀器。大型強子對撞機的探測器擁有先進的電子觸發(fā)系統(tǒng)，它測量粒子經(jīng)過時所用時間的精確度，大約是十億分之一秒。這個觸發(fā)系統(tǒng)在確定粒子的位置時，精確度可達百萬分之一米。這種令人難以置信的快速和精確反應(yīng)，是確保一個探測器連續(xù)層內(nèi)記錄的粒子保持一致的基礎(chǔ)。

進行安裝時電腦中心的場景，世界最強大的超級計算機系統(tǒng)

記錄大型強子對撞機進行的每項大試驗的數(shù)據(jù)，每年大約足夠刻10億張雙面DVD光盤。據(jù)估計，大型強子對撞機的壽命是15年。為了讓世界各地的數(shù)千名科學家在未來15年內(nèi)通力合作，分析這些數(shù)據(jù)，分布在世界各地的好幾萬臺電腦將利用一種被稱作網(wǎng)格的分散式計算網(wǎng)實施研究工作。

世界各地的數(shù)千名科學家都希望了解并分析這些數(shù)據(jù)。為了解決這個問題，目前歐洲粒子物理研究所(cERN)正在建一個分散的計算和數(shù)據(jù)儲存設(shè)施——大型強子對撞機計算網(wǎng)格(LCG)。大型強子對-撞機實驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，將通過歐洲粒子物理研究所記錄在磁帶進行原始文件備份后，再分發(fā)到世界各地。經(jīng)過初始加工，這種數(shù)據(jù)將被傳送到可為大量數(shù)據(jù)提供充足儲存空間的一系列大型計算機中心，這些計算機中心一天二十四小時不停地為大型強子對撞機計算網(wǎng)格提供服務(wù)。

經(jīng)過這些計算機中心的處理，其他設(shè)備就可使用這些數(shù)據(jù)了，其他的設(shè)備每個都由一個或幾個實施特殊分析任務(wù)的聯(lián)合計算機中心組成。科學家可通過大學部門的局域網(wǎng)或個人電腦了解這些設(shè)備，他們可能會經(jīng)常查看大型強子對撞機計算網(wǎng)格。

待解謎團

過去幾十年來，物理學家不斷在細節(jié)上加深對構(gòu)成宇宙的基本粒子及其交互作用的了解。了解的加深讓粒子物理學的“標準模型”變得更為豐滿，但這個模型中仍存在縫隙，以至于我們無法繪制一幅完整的圖畫。為了幫助科學家揭示粒子物理學上這些關(guān)鍵性的未解之謎，由于需要大量實驗數(shù)據(jù)的支持，大型強子對撞機便擔負起“數(shù)據(jù)提供者”的角色，這也是非常重要的一個步驟。大型強子對撞機能夠?qū)墒|(zhì)子加速到空前的能量狀態(tài)而后發(fā)生相撞，此時的撞擊可能帶來意想不到的結(jié)果，絕對是任何人都無法想象的。

牛頓未完成的工作——什么是質(zhì)量?

質(zhì)量的起源是什么?為什么微小粒予擁有質(zhì)量，而其它一些粒子卻沒有這種“待遇”?對于這些問題，科學家到現(xiàn)在也沒有找到一個確切答案。最有可能的解釋似乎可以在希伯斯玻色子身上找到。希格斯玻色子是“標準模型”這一粒子物理學理論中最后一種尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子，它的存在是整個“標準模型”的基石。早在1964年，蘇格蘭物理學家彼得·希格斯便首次預(yù)言存在這種粒子。但迄今為止，科學家仍未見過它的廬山真面目。

一個“看不見”的問題一96％的宇宙由什么構(gòu)成?

我們在宇宙中看到的一切——從小螞蟻到巨大的星系——都是由普通粒子構(gòu)成的。這些粒子被統(tǒng)稱為物質(zhì)，它們構(gòu)成了4％的宇宙。余下的部分據(jù)稱由暗物質(zhì)——不發(fā)光的物質(zhì)和暗能量構(gòu)成，它們對于整個宇宙的構(gòu)成與運行有著極其重要的作用，對它們進行探測和研究的難度不可想象。研究暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)是當今粒子物理學和宇宙學面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

大自然的偏好——為什么找不到反物質(zhì)?

我們生活在一個由物質(zhì)構(gòu)成的世界，宇宙萬物——包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)都是由物質(zhì)構(gòu)成的。反物質(zhì)就像物質(zhì)的一個孿生兄弟，但它卻攜帶相反電荷。在宇宙誕生時，“大爆炸”產(chǎn)生了相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)。然而，一旦這對孿生兄弟碰面，它們就會“同歸于盡”，并最終轉(zhuǎn)換成能量。不知何故，少量物質(zhì)幸存下來，并形成我們現(xiàn)在生活的宇宙，而它的孿生兄弟反物質(zhì)卻幾乎消失得無影無蹤。為什么大自然不能一碗水端平，平等對待這對孿生兄弟呢?

實驗將尋找物質(zhì)與反物質(zhì)之間的差異，幫助解釋大自然為何如此偏向。此前的實驗已經(jīng)觀察到兩者之間的些許不同，但迄今為止的研究發(fā)現(xiàn)還不足以解釋宇宙中的物質(zhì)和暗物質(zhì)為何在數(shù)量上呈現(xiàn)出明顯的不均衡。

“大爆炸”的秘密——物質(zhì)在宇宙誕生后的第一秒呈什么狀態(tài)?

構(gòu)成宇宙萬物的物質(zhì)據(jù)信來源于一系列密集而熾熱的基本粒子。現(xiàn)在宇宙中的普通物質(zhì)由原子構(gòu)成，原子擁有一個由質(zhì)子和中子構(gòu)成的核子，質(zhì)子和中子都是被稱之為“膠子”的其它粒子束縛夸克形成的。這種束縛非常強大，但在最初的宇宙，由于溫度極高加之能量巨大，膠子很難將夸克結(jié)合在一起。也就是說，這種束縛似乎是在“大爆炸”發(fā)生后的最初幾微秒內(nèi)形成的，此時的宇宙擁有一個由夸克和膠子構(gòu)成的非常熾熱而密集的混合物，也就是所說的“夸克一膠子等離子體”。

隱藏的世界——空聞的額外維度真的存在嗎?

根據(jù)愛因斯坦廣義相對論，人類生存的三維空間加上時間軸即構(gòu)成所謂四維空間。后來的理論認為，可能存在擁有隱藏維度的空間。弦理論便暗示額外的空間維度尚未被人類觀察到，它們似乎會在高能條件下顯現(xiàn)出來。基于這種推測，科學家將對所有探測器獲得的數(shù)據(jù)進行仔細分析，以尋找額外維度存在跡象。

爭議

美國從20世紀90年代其實就已經(jīng)開始建造一個更大的粒子加速器——超導超級對撞機(SSC)，不過1993年美國國會取消了這個項目。在最后幾天的聽證會上，一名國會議員提出一個重要的問題：“我們能通過這種機器找到上帝嗎?如果能，我將為它投上一票。”參加聽證會的所有物理學家都被這個問題雷倒了，他們無法給出具有說服力的答案。不久，超導超級對撞項目就被取消了，為對撞機挖洞并填洞就花費了美國納稅人20億美元的稅款。

還有一些物理學家認為大型強子對撞機在其粒子發(fā)生撞擊時可能會產(chǎn)生微型黑洞，而且這些黑洞通常都非常強大，以至于它們不僅能吞沒整個地球，而且還能吞噬整個星系，這在很大程度上引起了全球的恐慌。2008年9月10日實驗啟動的當天，一位印度少女就因為恐懼于世界末日的來臨而自殺身亡。

選自《科學人》