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【亲历“世界最大科学实验”】2 “让粒子束飞”
(2010-12-22 11:20:05)
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分类： 封面故事 |
【亲历“世界最大科学实验”】 之 加速器
加速器：离光速最近之地
“让粒子束飞”
http://epaper.bjnews.com.cn/images/2010-12/19/B11/b11c19cb001.jpg“让粒子束飞”" />
CERN主楼前的咖啡店。天气好的时候，科学家们总喜欢坐在这里聊工作，旁边是一节象征性的蓝色加速器管道标志，上写：“加速·科学”。
透过两扇紧闭的玻璃门，隐约可以看到一个不起眼的红色小瓶，上面标着不起眼的“H2”字样。旁边墙上的黄色标识就比较引人注意了：“注意！危险！100千伏！”世界上没几个人能接近这个小瓶，再往前走就会看到“禁止进入”的标牌、深入地下的电梯，以及一般公众只能在好莱坞大片里才能见到的虹膜扫描仪。
这是LHC加速器入口。它是所有物理学家全情依赖的“粒子提供者”，长达27千米：目前世界上能量最高的加速器、世界上最大的超导磁铁用户、世界上最大的制冷机……然而，其最核心的部分却只是两根几厘米宽的管道，管道内的物质则更小。它们全部来自于那个红色小瓶里的氢。
粒子束
14只蚊子一起飞
这个红色小瓶是一切的开始。氢原子的原子核内只有一个质子，还有一个电子围绕着它旋转。红色小瓶中带有一个强大的电荷“剥离器”，先通过强压将氢原子核和电子分离，然后去除电子，只留下质子。这些质子将成为几十年中加速运动和无数科学实验的主角。
质子必须在多个小型加速器中反复加速，最后才进入最大的环形加速器。LHC的营造者欧洲粒子物理研究所（CERN）从半世纪前就开始建造的各种“元老级” 加速器都被利用了起来，成为连锁发射器。氢质子先在一个电场里呼啸而过，在进入直线加速器之前，就已经达到了每秒4000千米的速度。此后，粒子们先后驶过多个环形的加速器，一层接一层地加速。最终，几十亿个粒子以成团形式分两个方向正式登场，进入最后的大加速器，其速度达到光速的99.99%。每个粒子束以3000个“团”的形式飞驰，两个束相向而飞，每团粒子的数量达到1000亿。
粒子的能量可以通过加速取得。在粒子物理学中，粒子的能量是用电子伏特来表示的。一个粒子在一个1伏特电压中加速后会获得一个电子伏特的能量。在LHC中，粒子速度接近光速，每个粒子束将达到7万亿电子伏特，术语称为“TeV”。在宏观世界中，这个能量非常小，只相当于1只飞行的蚊子产生的动能。当两个粒子束对撞的时候，则会产生总能量为14TeV的能量，也就是14只飞行的蚊子的动能之和。尽管如此，它还是世界上能量最大的加速器。
“按照目前理论科学家的计算，粒子对撞产生的14TeV的能量，就在希格斯子出现的能量范围内。幸运的话，人类将可以找到希格斯子。”在CERN工作10多年的南京大学教授祁鸣说。
控制室
充满喜怒哀乐的地方
加速器中心控制室约有小礼堂大小，四个工作角里，电脑屏幕像墙一样叠起来，一些人紧盯屏幕，一些椅子空着，一些人则用法语或英语在交流。此时，一人手持图表匆匆走进，几个人从四个方向聚了过来，神色凝重。“这可能是束流损失。”低语中漏出来这么一句。
卷着白衬衫袖子的保罗（Paul Collier）过去看了一下，总结道“并不是很严重”。这名行事干练，在CERN工作20多年的英国人从两年前开始任质子束部主任，如果把加速器比喻成火箭的话，保罗手下的400人就像是坐在火箭座舱内，驾驶着粒子束前进。LHC由一组加速器和四个主探测器组成。“我们像是供应商，给做实验的科学家客户们提供粒子束。”保罗笑道。当天早上，出于检修目的，粒子束没有运行，没有粒子的时候，物理学家所做的也只能是等待。
两个粒子之间碰到的几率是很低的。2000亿个粒子可能只产生20次相撞。全球的粒子物理学家都在寻找希格斯子，但是方法不一样，物理学家会把找到希格斯子比喻成“彩票中奖”，大部分的加速器都是在较为低的能区做无限次地粒子碰撞，中奖的概率相当低。而CERN则采取了另一个策略———提高碰撞的强度，这需要对整个加速器和探测器进行设备更新，需要更强大的超导磁铁，更精细的探测器，这意味着非常多的资金和好几年的更新维修。
2008 年，LHC开始进行质子对撞。大家都抱着极大的期望，媒体宣传也是铺天盖地。当开启加速器运行的那个时刻，这儿的所有人都在鼓掌。可打击随即出现。运行不到一周，LHC便发生了严重事故。一小段超导磁铁接触不良，在高电流通过的情况下造成损毁，导致40多块磁铁需要更换。这么一个小事故，使得整个实验停顿下来，此后的整整一年，物理学家几乎无事可做，唯一能做的就是等待工程师修复加速器了。
“那是我们所有人最难熬的时间。我们以为一切都在控制之中了，但的确灾难性的问题发生了。”回忆当时，保罗的表情变得严肃起来，“我们吸收了很多经验，我们修复了问题，重新设计了安全控制系统，最重要的是，我们意识到LHC的力量。我们应该尊重粒子束。这次事故给了我们哲学，让我们变得异常仔细。”
增能法
或更大，或更强
“要想提高环形加速器中粒子的能量，有两个方法。”保罗介绍，和人驾车一样，总是偏向于直线，如果要转弯则需要外力，粒子也是一样，总是沿直线前进，如果要让粒子打转，在环形加速器中加速，则需要特定的磁场来引导其转弯。另一个方法，就是增加距离，在更大面积的加速器中，粒子飞行越多，增加的能量也越大。
人类没法打造一个银河般大小的加速器，在地球上，因为对撞时粒子衰变产生了轻度的辐射，加速器必须建在地下，用岩石来阻隔辐射。而挖隧道却是非常昂贵的，这就是为什么美国的项目花费会失去了控制。LHC的优势在于，CERN从上世纪50年代便开始建造诸多的加速器。他们有着现成的隧道可以用。但要提高粒子的能量，唯一的办法就是提高超导磁铁的性能，因为粒子飞行能量越大，就越需要强大的超导磁铁来引导其转弯。LHC目前有6000多块磁铁，是世界上最大的超导磁铁使用者。超导磁铁必须冷却，这个加速器也是世界上最大的“制冷机”。
“我们接下来还要增加2TeV，粒子能量的增加意味着磁铁超导性能也需增加。这给我们的挑战就是，要推动现有的技术进步。”保罗说。目前，LHC已经在使用世界上最好的超导技术了，但是如果要进一步提高能量，则需要推动工业里的技术再进一步提高。
现在，也有人在谈论，环形加速器之后的下一代，可能是直线加速器。目前，包括中国在内很多国家都在构想下一代的大型加速器。CERN内部也有着同样的构想。保罗介绍说，和环形加速器相比，直线加速器的优势在于，不需要超导磁铁来引导粒子转弯，不会出现很大的粒子束损耗，但它没法像环形加速器一样反复地加速，慢慢地达到很高能量，而是必须在很短时间内就达到高能。
飞行环境
“一无所有”
“欢迎来到测试房。”法国人卢卡（Luca Bottura）微笑着对记者说，他递给了记者一小条“折”成花状的磁铁。在布满氮气管，加速器管道、高压电伏设备，满是“滋滋”电焊声的测试房中，他向记者介绍了传说中的超导磁铁等地下实验装置。
一个正待测试的加速器管道横截面展示了秘密：圆形轨道由磁偶极包围。磁偶极相当于一个封闭的电流环流，两端电荷电量相当，正负相反，因此产生电流环流。在其作用下，粒子会发生偏转。这些磁偶极由极细的超导金属线缠绕而成，每根都仅有人类头发十分之一之细。所有的磁偶极都必须极其精确地缠绕，只要一点点错位，就会导致热量的损耗，出现故障。这些磁铁也是整个LHC造价中最昂贵的部分，达到了总造价的20%到25%。
这些磁铁原本是普通的磁铁，但是在极低温下，会变成强大的超导磁铁，产生强大的吸力。不过，超导只能在极其低温的环境下实现。因此，在两个粒子束轨道上方，还设有一个液态氮管道。LHC使用了130吨的氮。液氮在-271℃的温度下，会呈现出带特殊性能的超液态。这仅与绝对零度相差两度。
每立方米的空气平均含有3021个原子。如果轨道中有空气，那么这些原子也会影响粒子的穿梭。因此，需要将轨道中抽成真空。卢卡说，在此状态下，总提及11万立方米的加速器管道中，只有1亿个左右的原子。这就相当于把地球上一兆亿个蚂蚁抽空，只剩下1000个左右。
这样低温、几近真空的环境，让粒子可以随意飞行，但也使得技术人员无法随意打开管道———因为每次打开管道，就意味着需要花大量时间升到常温，然后再降温，抽取空气。万一管道被堵塞了该怎么办呢？“有一些极其聪明的天才们想出了一个方法，把一个带电的乒乓球打进加速器，把堵塞物打开，如果也堵住了，再打进一个乒乓球，把前面一个乒乓球打掉，同时也开通了道路。”卢卡笑着说，“我想这是LHC有史以来第一个对撞。”
【新知补丁】
希格斯子Higgs boson
也称希格斯玻色子。粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，至今尚未在实验中观察到。它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。由英国物理学家希格斯提出。建造LHC的目的主要目的，就是验证希格斯子是否存在。物理学家霍金就认为希格斯子并不存在。他们两人甚至就此问题发生争吵。霍金为此发起了一个100美元的赌局。
本版图文/本报记者 金煜
【亲历“世界最大科学实验”】 之新发现
【亲历“世界最大科学实验”】 之加速器
【亲历“世界最大科学实验”】 之探测器
【亲历“世界最大科学实验”】 之面对面
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“让粒子束飞”
http://epaper.bjnews.com.cn/images/2010-12/19/B11/b11c19cb001.jpg“让粒子束飞”" />
CERN主楼前的咖啡店。天气好的时候，科学家们总喜欢坐在这里聊工作，旁边是一节象征性的蓝色加速器管道标志，上写：“加速·科学”。
透过两扇紧闭的玻璃门，隐约可以看到一个不起眼的红色小瓶，上面标着不起眼的“H2”字样。旁边墙上的黄色标识就比较引人注意了：“注意！危险！100千伏！”世界上没几个人能接近这个小瓶，再往前走就会看到“禁止进入”的标牌、深入地下的电梯，以及一般公众只能在好莱坞大片里才能见到的虹膜扫描仪。
这是LHC加速器入口。它是所有物理学家全情依赖的“粒子提供者”，长达27千米：目前世界上能量最高的加速器、世界上最大的超导磁铁用户、世界上最大的制冷机……然而，其最核心的部分却只是两根几厘米宽的管道，管道内的物质则更小。它们全部来自于那个红色小瓶里的氢。
粒子束
14只蚊子一起飞
这个红色小瓶是一切的开始。氢原子的原子核内只有一个质子，还有一个电子围绕着它旋转。红色小瓶中带有一个强大的电荷“剥离器”，先通过强压将氢原子核和电子分离，然后去除电子，只留下质子。这些质子将成为几十年中加速运动和无数科学实验的主角。
质子必须在多个小型加速器中反复加速，最后才进入最大的环形加速器。LHC的营造者欧洲粒子物理研究所（CERN）从半世纪前就开始建造的各种“元老级” 加速器都被利用了起来，成为连锁发射器。氢质子先在一个电场里呼啸而过，在进入直线加速器之前，就已经达到了每秒4000千米的速度。此后，粒子们先后驶过多个环形的加速器，一层接一层地加速。最终，几十亿个粒子以成团形式分两个方向正式登场，进入最后的大加速器，其速度达到光速的99.99%。每个粒子束以3000个“团”的形式飞驰，两个束相向而飞，每团粒子的数量达到1000亿。
粒子的能量可以通过加速取得。在粒子物理学中，粒子的能量是用电子伏特来表示的。一个粒子在一个1伏特电压中加速后会获得一个电子伏特的能量。在LHC中，粒子速度接近光速，每个粒子束将达到7万亿电子伏特，术语称为“TeV”。在宏观世界中，这个能量非常小，只相当于1只飞行的蚊子产生的动能。当两个粒子束对撞的时候，则会产生总能量为14TeV的能量，也就是14只飞行的蚊子的动能之和。尽管如此，它还是世界上能量最大的加速器。
“按照目前理论科学家的计算，粒子对撞产生的14TeV的能量，就在希格斯子出现的能量范围内。幸运的话，人类将可以找到希格斯子。”在CERN工作10多年的南京大学教授祁鸣说。
控制室
充满喜怒哀乐的地方
加速器中心控制室约有小礼堂大小，四个工作角里，电脑屏幕像墙一样叠起来，一些人紧盯屏幕，一些椅子空着，一些人则用法语或英语在交流。此时，一人手持图表匆匆走进，几个人从四个方向聚了过来，神色凝重。“这可能是束流损失。”低语中漏出来这么一句。
卷着白衬衫袖子的保罗（Paul Collier）过去看了一下，总结道“并不是很严重”。这名行事干练，在CERN工作20多年的英国人从两年前开始任质子束部主任，如果把加速器比喻成火箭的话，保罗手下的400人就像是坐在火箭座舱内，驾驶着粒子束前进。LHC由一组加速器和四个主探测器组成。“我们像是供应商，给做实验的科学家客户们提供粒子束。”保罗笑道。当天早上，出于检修目的，粒子束没有运行，没有粒子的时候，物理学家所做的也只能是等待。
两个粒子之间碰到的几率是很低的。2000亿个粒子可能只产生20次相撞。全球的粒子物理学家都在寻找希格斯子，但是方法不一样，物理学家会把找到希格斯子比喻成“彩票中奖”，大部分的加速器都是在较为低的能区做无限次地粒子碰撞，中奖的概率相当低。而CERN则采取了另一个策略———提高碰撞的强度，这需要对整个加速器和探测器进行设备更新，需要更强大的超导磁铁，更精细的探测器，这意味着非常多的资金和好几年的更新维修。
2008 年，LHC开始进行质子对撞。大家都抱着极大的期望，媒体宣传也是铺天盖地。当开启加速器运行的那个时刻，这儿的所有人都在鼓掌。可打击随即出现。运行不到一周，LHC便发生了严重事故。一小段超导磁铁接触不良，在高电流通过的情况下造成损毁，导致40多块磁铁需要更换。这么一个小事故，使得整个实验停顿下来，此后的整整一年，物理学家几乎无事可做，唯一能做的就是等待工程师修复加速器了。
“那是我们所有人最难熬的时间。我们以为一切都在控制之中了，但的确灾难性的问题发生了。”回忆当时，保罗的表情变得严肃起来，“我们吸收了很多经验，我们修复了问题，重新设计了安全控制系统，最重要的是，我们意识到LHC的力量。我们应该尊重粒子束。这次事故给了我们哲学，让我们变得异常仔细。”
增能法
或更大，或更强
人类没法打造一个银河般大小的加速器，在地球上，因为对撞时粒子衰变产生了轻度的辐射，加速器必须建在地下，用岩石来阻隔辐射。而挖隧道却是非常昂贵的，这就是为什么美国的项目花费会失去了控制。LHC的优势在于，CERN从上世纪50年代便开始建造诸多的加速器。他们有着现成的隧道可以用。但要提高粒子的能量，唯一的办法就是提高超导磁铁的性能，因为粒子飞行能量越大，就越需要强大的超导磁铁来引导其转弯。LHC目前有6000多块磁铁，是世界上最大的超导磁铁使用者。超导磁铁必须冷却，这个加速器也是世界上最大的“制冷机”。
“我们接下来还要增加2TeV，粒子能量的增加意味着磁铁超导性能也需增加。这给我们的挑战就是，要推动现有的技术进步。”保罗说。目前，LHC已经在使用世界上最好的超导技术了，但是如果要进一步提高能量，则需要推动工业里的技术再进一步提高。
现在，也有人在谈论，环形加速器之后的下一代，可能是直线加速器。目前，包括中国在内很多国家都在构想下一代的大型加速器。CERN内部也有着同样的构想。保罗介绍说，和环形加速器相比，直线加速器的优势在于，不需要超导磁铁来引导粒子转弯，不会出现很大的粒子束损耗，但它没法像环形加速器一样反复地加速，慢慢地达到很高能量，而是必须在很短时间内就达到高能。
飞行环境
“一无所有”
“欢迎来到测试房。”法国人卢卡（Luca Bottura）微笑着对记者说，他递给了记者一小条“折”成花状的磁铁。在布满氮气管，加速器管道、高压电伏设备，满是“滋滋”电焊声的测试房中，他向记者介绍了传说中的超导磁铁等地下实验装置。
一个正待测试的加速器管道横截面展示了秘密：圆形轨道由磁偶极包围。磁偶极相当于一个封闭的电流环流，两端电荷电量相当，正负相反，因此产生电流环流。在其作用下，粒子会发生偏转。这些磁偶极由极细的超导金属线缠绕而成，每根都仅有人类头发十分之一之细。所有的磁偶极都必须极其精确地缠绕，只要一点点错位，就会导致热量的损耗，出现故障。这些磁铁也是整个LHC造价中最昂贵的部分，达到了总造价的20%到25%。
这些磁铁原本是普通的磁铁，但是在极低温下，会变成强大的超导磁铁，产生强大的吸力。不过，超导只能在极其低温的环境下实现。因此，在两个粒子束轨道上方，还设有一个液态氮管道。LHC使用了130吨的氮。液氮在-271℃的温度下，会呈现出带特殊性能的超液态。这仅与绝对零度相差两度。
每立方米的空气平均含有3021个原子。如果轨道中有空气，那么这些原子也会影响粒子的穿梭。因此，需要将轨道中抽成真空。卢卡说，在此状态下，总提及11万立方米的加速器管道中，只有1亿个左右的原子。这就相当于把地球上一兆亿个蚂蚁抽空，只剩下1000个左右。
这样低温、几近真空的环境，让粒子可以随意飞行，但也使得技术人员无法随意打开管道———因为每次打开管道，就意味着需要花大量时间升到常温，然后再降温，抽取空气。万一管道被堵塞了该怎么办呢？“有一些极其聪明的天才们想出了一个方法，把一个带电的乒乓球打进加速器，把堵塞物打开，如果也堵住了，再打进一个乒乓球，把前面一个乒乓球打掉，同时也开通了道路。”卢卡笑着说，“我想这是LHC有史以来第一个对撞。”
【新知补丁】
希格斯子Higgs boson
也称希格斯玻色子。粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，至今尚未在实验中观察到。它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。由英国物理学家希格斯提出。建造LHC的目的主要目的，就是验证希格斯子是否存在。物理学家霍金就认为希格斯子并不存在。他们两人甚至就此问题发生争吵。霍金为此发起了一个100美元的赌局。
本版图文/本报记者 金煜
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