科學家通俗解讀世界最大強子對撞機:尋找占宇宙成分96%的暗物質暗能量
我國科學家參與的國際性大科學工程之一——大型強子對撞機今日對撞成功。本報記者第一時間連線中國科學院高能物理研究所相關專家，通俗解讀大型強子對撞機的重要意義。
歐洲核子研究中心宣布，3月30日日內瓦時間13點06分(北京時間19點06分),跨越日內瓦市郊、瑞士和法國邊界的大型強子對撞機(LHC)上，總能量為7萬億電子伏特的兩個束流對撞成功。這次迄今為止世界上能量最高的對撞，標志著大型強子對撞機物理研究的啟動，拉開了粒子物理新時代的序幕，人類開始尋找占宇宙成分96%的暗物質和暗能量。
大型強子對撞機創造的科學之最
中科院高能物理研究所研究員陳國明介紹說，這一世界上最大的大型強子對撞機，建在周長為27公里、埋入地下50到175米處的環形隧道中。它的設計目標是對撞兩個反向回旋的質子束流，總能量高達14萬億伏特。這次實驗預計達到的能量是設計目標的一半。根據科學家們的設定，每個質子的能量為3.5萬億電子伏特。質子的速度是光速的99.999995%(比光速慢億分之五)。
大型強子對撞機的隧道里安放了四個探測器CMS(緊湊繆子線圈)、ATLAS(超環面儀器)、LHCb(底夸克探測器)和ALICE(大型離子對撞機)。科學家們希望通過這些探測器，在能量為數萬億電子伏特質子對撞中發現有意義的新物理。
大型強子對撞機創造了許多科學之最。超環面儀器是世界上最大的探測器，有半個巴黎圣母院大。緊湊繆子線圈是世界上最重的探測器，鐵的使用量比埃菲爾鐵塔還多。它采用的圓柱形超導電纜線圈是世界上最大的超導線圈，可產生4萬高斯的磁場，相當于地球磁場的10萬倍。
大型強子對撞機揭開物理學新紀元
緊湊繆子線圈、超環面儀器兩個實驗的物理目標是尋找希格斯粒子(Higgs)、額外維度和宇宙中神秘的暗物質。希格斯是一種理論上預言的新粒子，它能解釋其他粒子的質量起源。
LHCb實驗將幫助我們了解為什么宇宙中反物質不可思議地缺少。它通過研究“底夸克”粒子，專門對物質和反物質之間的微妙差異展開調查。
大型離子對撞機則是重離子對撞實驗。鉛離子對撞后，在實驗條件下重建“大爆炸”后的宇宙初期形態，撞擊時產生的高溫將是太陽內部溫度的10萬倍。物理學家希望看到的是，質子和中子會在這種高溫條件下“熔化”，并釋放被膠子束縛的夸克。
陳國明認為，LHC將揭開物理學的新紀元。“上世紀初，牛頓理論看似完美，幾乎可以解釋一切，只有邁克爾遜—莫雷實驗和黑體輻射實驗得不到解釋。在當時這被稱為美麗天空中飄著的兩朵烏云。正是這兩朵烏云導致了相對論和量子力學的誕生，引起了一場科學革命。”今天，相對論和量子力學也不再完美，“現在對宇宙的觀測表明，物理學能解釋的僅占宇宙成分的4%，其余96%由暗物質和暗能量構成，它們的本質我們全然不知。這是一朵更大的烏云。如果大型強子對撞機能夠找到暗物質，將引起科學的另一次革命，從而揭開物理學的新紀元。”
我國科學家參與其中
此次對撞成功后，歐洲核子研究中心將連續運行LHC18到24個月，以便為LHC上面的各個實驗提供足夠的數據來進行物理研究。各個實驗將先找到那些已知的標準模型的粒子，然后去尋找Higgs粒子和超對稱粒子。歐洲核子中心專家解釋說，如果Higgs粒子的質量在160GeV(單位，十億電子伏特)附近，那么ATALS和CMS實驗就有可能用這一段時間所取得的數據找到Higgs粒子，如果太輕或太重則不太可能在今后的24個月當中被發現。對于超對稱粒子，如果它的質量小于800GeV，則能在今后的兩年內被發現。
陳國明是CMS實驗中國組物理研究負責人，他介紹說，中國是參加CMS實驗的40多個國家之一,有四家科研單位參與了CMS實驗。“中國科學院高能物理研究所和北京大學組成的CMS中國組成功地建造了三分之一的端部繆子探測器陰極條室和阻性板室，并參與擬定了技術設計報告。中國科學院上海硅酸鹽研究所向CMS提供了核心探測材料——用于電磁量能器的5000余根自主研制的鎢酸鉛閃爍晶體。中國科技大學參與了電磁能量器的研制。設于高能所的CMS遠程控制中心，將與在CERN和美國費米實驗室一起輪班承擔CMS實驗的一部分實時監控工作。”
中國科學院高能物理研究所金山研究員是ATLAS中國組的負責人。他說，ATLAS中國組包括中國科學院高能物理研究所、山東大學、中國科技大學和南京大學。“CMS與ATLAS目的幾乎一致，兩個實驗的結果可以互相檢測和印證。”目前，CMS與ATLAS實驗的中國科學家正積極參與探測器日常運行值班和非常復雜的模擬數據分析。
中國科學家參與的另一項重要工作就是LHC數據分析的網格平臺。中國科學院高能物理研究所計算中心主任陳剛研究員介紹說，對撞會產生很多粒子，這些粒子被探測器捕捉和記錄，這些數據反饋到計算機上經過事例重建、物理模擬、物理分析等計算過程才能得到結果。“這是一個龐大的計算量。如果把LHC一年獲得的數據刻成光盤，能夠壘起20公里的高塔，需要10萬個CPU分秒不停計算一年。”陳剛說：“這是任何一個國家都無法獨立完成的任務，因此全球科學家聯合起來建立了網格平臺，中國是其中之一。”
這一階段的運行過后，LHC將關機進行徹底的修理，為14萬億電子伏特對撞作準備。歐洲核子中心的所長Heuer說，“兩年的連續運行是一個離譜的要求，但這個努力是值得的，這可以補償前次的失敗所失去的時間，使物理學家們可以有機會做出他們的成果。”
記者 齊芳
(本報北京3月30日電)
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