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我们和“上帝粒子”有个约会2

2012-02-16 16:29:19

为什么要寻找“上帝粒子”?

为什么物体会有质量?粒子是如何得到质量的?不同种类的力之间的关系是什么?在我们对物质组成和力的理解里面,这些问题是非常基础且重要的问题。如果我们不能回答这些问题,在对物质的研究上,就很难取得重要进展。假如希格斯玻色子存在,那么科学家就可以回答这些问题。

粒子物理学标准模型中总共预言了62种基本粒子,其中61种已获验证,唯独希格斯玻色子始终游离在物理学家的视野之外。作为当代粒子物理学经典理论的“缺失环节”,希格斯玻色子的存在与否至关重要。找到它,就意味着找到了建筑粒子物理学经典理论大厦的最后一块基石。

科学家预计,希格斯玻色子存在的可能只有30%,粒子物理大厦是建立在30%的概率基础上的。一旦希格斯玻色子被证实不存在,那么整个物理学就将经历一场新的困惑和震动。一旦证明希格斯机制、希格斯玻色子理论都是错误的,那就意味着大量的人力、物力、财力的巨大浪费,上千亿美元的巨额资金投入和无数科学家们的辛劳都将付诸东流,粒子物理学经典理论大厦将不得不推倒重建。

多年来,寻找“上帝粒子”行动一直备受质疑,认为没有实际应用价值。事实上,科学上很多重要的发现都不是出于功利目的。人之所以和动物不同,就在于人有好奇心,人有求知欲。对物质世界终极问题的求索,使得人类世界与动物世界有了根本不同的面貌。可以这样说,没有哥白尼、伽利略的理论,人们或许还认为地球是宇宙的中心;没有牛顿和他创建的微积分,人们不会明白重力何来;没有爱因斯坦和他的相对论,人们也看不到重力的本质。同样,没有希格斯和他的希格斯场理论,这个世界也就不会有大型强子对撞机和寻求希格斯玻色子的科学家。许多物理学家为了验证一个理论,付出了青春、热血甚至生命。因为在他们看来,“朝闻道,夕死可矣”——他们追求的是世界的本质。

即便是从功用的角度说,历史的经验早已证明:科学真理的发现,一定会给我们的实际生活带来有用的影响。比如说,当年创建量子力学的那些物理学家,他们的兴趣也许只为探索物质世界的终极奥秘;但如果没有建立在量子力学基础上的半导体理论,电子计算机的发明就完全不可能,我们今天信息时代的生活也就不可想象。

如何寻找“上帝粒子”?

为什么希格斯玻色子到现在还没有找到?原因其实也很简单。首先,从理论上来说,希格斯玻色子存在的时间非常短暂,仅有十亿分之一秒,之后就会衰变成我们平常容易看到的其它粒子,这给探测带来很大的难度。第二,希格斯玻色子产生的几率非常小,科学家们要把它们从无数的普通粒子中筛选出来,完全相当于大海捞针。第三,目前人类所创造的探测条件的能量,都不够把希格斯玻色子激发出来。迄今为止,美国费米实验室的万亿电子伏特加速器(Tevatron)以及其它加速器,都没有能够发现希格斯玻色子,物理学家们唯有寄希望于大型强子对撞机。

大型强子对撞机位于法国和瑞士边境地区地下100,主体结构是一个全长26.659公里的环形隧道,耗资总计约100亿美元。这个空旷的地下世界,相当于4个梵蒂冈,如果你要走完全程,要花上4个小时。

大型强子对撞机于2003年正始动工建造,正式启动的时间是20103月。建造大型强子对撞机的构想,最初产生于1984年。这个项目由欧洲核子研究中心的20多个成员国负责建设,吸引了全球80多个国家和地区的近2000多名顶尖级物理学家参与。建成后的大型强子对撞机不仅是世界最大的粒子加速器,同时也是世界最大的机器。它的耗电量相当于整个日内瓦市全城的用电量。在一年5亿欧元的预算中,相当一部分要用于支付电费。

在大型强子对撞机的那条约27公里长的环形隧道内,超导磁铁能把数以百万计的质子加速至将近每秒30万公里,是光速的99.99%。质子流每秒可在隧道内狂飙11245圈,单束质子流能量可达7万亿电子伏特——约相等于一列高速列车的能量。运行方向相反的两束高速质子流一旦迎头对撞,碰撞点将产生极端高温,最高可达到太阳中心温度的10万倍。这一刻,就像宇宙大爆炸之后释放大量能量和基本粒子,冷却后形成组成物质的质子和中子。在这样一个短暂的过程中,人们或许可以找到一些基本粒子,这其中就包括神秘的“上帝粒子”。

为避免质子流与气体分子发生碰撞,质子流都在超高真空的“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,比月球上的大气压还小10倍。

20103月正式启动以来,在大型强子对撞机的环形加速管道中,每秒钟都迎来千万次爆炸。方向相反的高能量质子团在4个对撞点不断碰撞。每一个对撞点上都架起了粒子探测器,它们犹如平躺着的硕大无比的啤酒桶,将对撞点严实地包裹起来,并承载不同的实验功能。其中,超导环场探测器和压缩μ子螺旋型磁谱仪的主要使命,就是探索可能出现的希格斯玻色子的信号。

超导环场探测器是一个七层楼高的圆柱体,长44,直径25,由钢铁、充气铝管、液态氩和光纤制成,重量为7000吨。质子束在探测器中心碰撞时,这里测量到的信号可能是最强的。

压缩μ子螺旋型磁谱仪是大型强子对撞机上安装的两个大型通用粒子物理探测器中的一个。这是一个约长21、直径16、重12500吨的筒状庞然大物。它包含大型强子对撞机的“交互点”,这是一个非常重要的位置,大型强子对撞机里反向旋转的两个粒子束里的质子,正是在这个地方撞在一起。爆炸的瞬间,各种参数通过计算机网格系统先传到位于日内瓦的欧洲核子研究中心的零级计算机,随即送达分布在5个地区的一级计算机站点和上百个二级计算机站点,最终抵达三级计算机系统。这个庞大的网络连接了全世界几十万台计算机。在电脑屏幕前守候的,是来自全球80多个国家的科学家,其中,参与压缩μ子螺旋型磁谱仪项目和超导环场探测器项目的科学家就各有3000多位。

收集数据仅仅是痛苦的粒子发现工作的开始。希格斯玻色子并不能直接检测,而是通过它衰变后的产物,比如一对光子或是Z玻色子。但是,其他的微粒,比如夸克也能够形成类似衰变产物。这个喧闹的“背景”,可能淹没希格斯玻色子的信号。最近发现的信号显示希格斯玻色子的质量很轻,这将令搜寻工作变得更加复杂。不同于大质量的希格斯玻色子,小质量的希格斯玻色子衰变后很少成为Z玻色子,而是变成更常见的衰变物,更容易混进背景。

一些理论预言,如果“上帝粒子”真的存在,那么在大型强子对撞机设计能够达到的最高能量(14 万亿电子伏特)对撞下,它就应该要现身了。可惜,寻找“上帝粒子”的道路,从来就没有一帆风顺过。从设计建造到开始运行,大型强子对撞机一直事故不断,启动时间也一推再推。甚至直到今天,在已经运行了一段时间的大型强子对撞机中,质子束流的能量也只达到了设计最高能量的一半。最高能量14 万亿电子伏特的对撞,最早也要到2014年才能实现。


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