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大型强子对撞机探究“世界如何形成”敲开“果核”最深处

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大型强子对撞机的环形隧道长27公里

世界是如何形成的?

从这个问题第一次被提出起,人类就踏进了似乎永无止境的求索之路。时至今日,打开组成万事万物的基本构件,人类已可窥及极细微处:从分子、原子到组成原子的原子核、电子,再到构建起原子核的中子和质子,直至组成中子和质子的夸克。

但答案,显然还在更深处。

面对看似坚不可破的“果核”,好奇的孩子一定会举起手中的锤子。正是这种探究“终极之问”的本能好奇心,让人类决定制造有史以来最为庞大的物理实验工具——对撞机,去尝试敲开有可能包裹着最终答案的下一层“果壳”。

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欧洲核子研究组织的大型强子对撞机。一名工作人员站在多功能探测器(CMS)下面

湖光山色的日内瓦近郊,法国和瑞士交界处的侏罗山下,全球最大、能量最高的粒子加速器——欧洲大型强子对撞机,潜伏在地下100米深处。这一耗资数十亿美元,由全球7000名科学家和工程师合力建成的“怪物级”工具,自2008年运行以来,不断开拓着人类的认知疆域。2012年7月4日,科学家在这一对撞机的对撞实验中有了惊人发现:被称作“上帝粒子”的希格斯粒子首次被证明存在。也正是在这之后不久,欧洲大型强子对撞机进入维护升级的“闭关期”。

12月12日,欧洲核子研究委员会确认,大型强子对撞机准备在2015年3月重启。升级之后的对撞机,运行能量将达到空前的13万亿电子伏特。不仅如此,欧洲核子研究中心还在近期启用了其开放数据网站,首次将大型强子对撞机真实碰撞实验数据免费向公众开放。

“毫无疑问,全世界粒子物理学家的目光将再次聚焦到侏罗山下。”理论物理学博士、河北师范大学副教授郭志辉说,“新一轮的对撞实验能带来什么新发现,绝对值得期待。”

模拟“宇宙大爆炸”

大部分理论物理学家都相信,现有的宇宙起源于一次大爆炸。而根据2013年普朗克卫星所得到的最佳观测结果,宇宙大爆炸距今137亿年。

要追寻世界的本源,必然要洞悉宇宙初始的那一刻。

严格来说,用“那一刻”或“那一瞬”,乃至“那一刹”来形容宇宙的初始,都差之千里。在目前大多数常见的物理模型中,宇宙诞生初期是由均匀且各向同性的高密高温高压物质构成的,并在极早期发生了非常快速的膨胀和冷却。“非常快速”有多快?科学家认为宇宙膨胀在进行到10-37秒时,发生呈指数增长的暴涨,当暴涨结束后,构成宇宙的物质包括夸克-胶子等离子体,以及其他所有基本粒子就已形成。

而在宇宙初始10-11秒之后,“宇宙大爆炸”模型中猜测的成分就进一步减少了,此时的粒子能量已经降低到了人类目前高能物理实验所能企及的范围。10-6秒之后,夸克和胶子结合形成了诸如质子和中子的重子族。在几分钟后,宇宙的温度迅速降低,密度降低到与海平面附近空气密度近似。氘、氦、锂等最初的原子核——太初核在此时形成了。

宇宙自此不断冷却,在大约38万年之后,电子和原子核结合成为原子,我们所能认知的世界开始被搭建形成。

“宇宙初始的极短时间内,到底发生了什么?存在于物理模型中的基本粒子,是否真实存在?这一切都有待于实验证明。”郭志辉介绍,之所以耗费大量资源建造欧洲大型强子对撞机,并将其不断升级,正是期望其在极微观的尺度上,更加接近乃至重现宇宙大爆炸初始发生的事情。

对撞机的任务,就是通过电场将粒子束不断加速,同时制造出强大的磁场,将粒子束约束在既定的轨道内运动。“欧洲大型强子对撞机具备将质子加速至99.999999%光速的能力,而每增加一个9,就意味着能量消耗的极大提升。”郭志辉介绍,欧洲大型强子对撞机主要由一个27公里长的超导磁体环和许多促使粒子能沿着特定方向传播的加速结构组成。2束高能粒子流在处于超高真空状态的光束管中运动,一个强磁场保证它们在27公里的环内能够适时地转弯,从而稳定运行。

要让超导材料维持没有电阻的状态,需要将其冷却至零下271摄氏度,这就需要为加速器建造强大的液氮冷却系统。而这一切都需要强大的能量来源,“正因如此,几乎所有的对撞机,都建设专门与之配套的发电厂。”郭志辉说。

数据显示,欧洲大型强子对撞机使用了约7000块超导磁铁引导质子束流加速,并把束团聚焦为一根根头发丝粗细的“银针”。在如此高的速度下,对撞机内的质子束一秒钟就可以对撞3000万次。

接下来,就是“见证奇迹的时刻”。对撞机的海量数据涌出之时,里面潜藏着哪些惊人的秘密?

“果核”里藏着什么?

“能量如此高的质子对撞,会是怎样的一个情形?”郭志辉说,“实际上,一次撞击的产物更像是一堆杂乱不堪的‘垃圾’。物理学家需要做的,就是从这些‘垃圾’中淘出‘金子’。”

“我们到底要寻找什么?回答这个问题,需要对粒子物理学的一些基本概念有所了解。”郭志辉介绍,粒子物理学建立起了一个“标准模型”,并以此描绘物质世界的基本构成,以及这些基本粒子是如何相互作用的。这一模型把基本粒子分为夸克、轻子和玻色子三大类别,共61种(不包含引力子)。

“最早仅存在于理论中的这些粒子,后来陆续被高能物理实验所证实,尤其是对撞机的出现,大大加快了人类对这些基本粒子认知的速度。”郭志辉介绍,这其中,最受关注的是被称作“上帝粒子的”希格斯粒子。与这种自旋为零的玻色子相关的希格斯机制,为基本粒子的质量起源提供了动力学解释,因此是整个标准模型的基石之一。假如希格斯粒子不存在,那将成为标准模型的重大缺陷。正因如此,希格斯粒子被喻为粒子物理标准模型“最后的一块拼图”。

作为质量之源,希格斯粒子在137亿年前的宇宙大爆炸初始就已经完成了它的使命。而要再次捕获希格斯粒子的踪迹,就只有通过高能粒子的对撞,来模拟宇宙起源的时刻,将希格斯粒子“复活”。

寻找“上帝粒子”,是欧洲大型强子对撞机的重要使命之一,而它果然没有让人失望。2012年“上帝粒子”的发现震惊科学界。但这并非结束,而是一个新的起点。发现了希格斯粒子可以解释为什么有些基本粒子具有质量,但现有理论并未预言希格斯粒子和其他基本粒子的质量数值。郭志辉介绍,“接下来要做的,就是深入研究希格斯粒子的性质,以深入地解释质量的起源问题。”

寻找消失的另一半

寻获基本粒子,绝非科学家们的终极目标。在一个个基本粒子在热热闹闹的对撞中被俘获之时,更大的谜团仍在黑暗处潜藏。

“从一粒尘埃,到庞大的星系,都是由普通粒子构成,我们将这些粒子统称为物质。而反物质就像物质的一个孪生兄弟,但它却携带相反电荷。”郭志辉说。根据“宇宙大爆炸”理论,宇宙初始之时产生了相同数量的物质和反物质。然而,一旦这对孪生兄弟碰面,它们就会“同归于尽”,并最终转换成能量。

让科学家倍感疑惑的是,不知何故,似乎只有物质幸存下来,并形成我们现在生活的宇宙,而它的孪生兄弟反物质却再也难觅踪影。郭志辉说,“在我们所处的物质世界里,无法寻找到稳定的反物质,更难以观测和研究。对撞机则为发现和研究反物质带来了可能。”

2010年,欧洲大型强子对撞机发现了几十个氢原子的“反物质”。尽管可能只是冰山一角,但借助对撞机的帮助,宇宙“消失的另一半”似乎正渐渐浮出水面、显露真容。显然,科幻小说家们又要兴奋起来了。在许多科幻作品中,反物质可以作为飞船燃料实现星际旅行。有计算表明,仅需要几十毫克反物质,人类就能把一艘飞船送上火星。

而在更为宏观的尺度上,有研究表明,普通物质只构成了我们已知宇宙的4%。根据推测,其余96%的剩余部分由暗物质(不发光的物质)和暗能量构成。许多科学家相信,即将在大幅升级后重启的欧洲大型强子对撞机,有可能为这些领域的研究带来崭新发现。

“正因为有了大型强子对撞机,欧洲才超越美国,成为目前世界粒子物理学研究的中心。”郭志辉透露,继北京正负电子对撞机之后,我国现在正在筹划建设新一代大型对撞机。“现在已经有了几种对撞机备选方案,根据其中一种方案设计,我国有可能建设能量大大超过欧洲现有水平的对撞机。如果这一方案获得通过,可以料想的是,中国将迅速跻身粒子物理学研究的最前沿。”

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