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"上帝"粒子有待寻觅 大型离子对撞机显真容(图)

http://www.kexue.com 2010-11-25 14:49:54 南都周刊  发表评论

  近日,争议不断的大型强子对撞机再次启动,用能量更高的铅离子进行碰撞。它是否会找到神秘的希格斯粒子,为游离于“标准模型”之外的引力正名,还是制造出黑洞毁灭地球?应瑞士国家形象委员会邀请,笔者来到欧洲核子研究中心,一睹其真容。

大型强子对撞机CMS探测器内部
大型强子对撞机CMS探测器内部

  我们的车停在瑞法边境,远处的汝拉山顶云雾氤氲,近处的牧场里牛群悠闲地吃草,深秋的午后的阳光撒在红黄交错的阔叶林上,如同一张凝固的明信片。

  此刻,这幅宁静的场景下面,CERN(欧洲核子研究中心)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)正在地下100米深处一条长约27千米的环形隧道内发射出两束粒子流。想到这些微粒正在接近光速运动,“相对论”这个词就不由得蹦上我的脑海。

  和你一样,我少年时也看过《奥秘》和《十万个为什么》,对于宇宙如何产生,宇宙之前是什么,宇宙之外又是什么,既着迷又困惑。好在,现代物理学不断地尝试解答宇宙起源这个最基本的疑问,寻找大爆炸理论(big bang)的更多证据并对其补充。CERN,正被学界认为是解读宇宙奥秘的重要一站。我带着无数问题来到这里,将目睹物理学家如何向大众解释万物之源。

  如果不是上帝,到底是谁创造人类

  来CERN之前,我知道那是个花钱如流水的地方,全欧洲最不环保的地方(耗电大户),也是聚集最多高能物理学家的地方。传说CERN养活了地球上一半的粒子物理学家,而他们主要的工作就是想方设法把粒子剁碎,找到组成你我及世间万物的最小成分,这听上去不太浪漫。

  当我们坐进CERN的会议室,物理学教授沃思(Rüdiger Voss)说,CERN的第一使命就是探索大爆炸的秘密,以及宇宙最初所有物质的状态。

  且慢,你怎么知道宇宙必然是大爆炸产生的,而不是上帝创造的?

  好吧,看看两个著名的证据。其一是红移现象。我们都知道,当一列火车向你迎面开来时,汽笛声升高(声波的波长变短),当它离你远去时,音调就不断降低(声波的波长变长),这就是多普勒效应。与声波一样,光同样有多普勒效应,当一个星系离我们远去时,谱线波长越长,也就越接近红色。

大型强子对撞机结构图
大型强子对撞机结构图

  20世纪20年代,当天文学家开始观察遥远恒星的光谱时,异常情况发生了:它们所缺失的颜色和银河系的恒星情况相同——它们看起来都越来越红。“对此,唯一合理的解释就是星系都在远离我们。”英国物理学家霍金(Stephen Hawking)在其著作《万物至理》(the Theory of Everything)中称。1929年,天文学家哈勃提出了著名的哈勃定律:一个星系的退行速度与其距离成正比。“这些星系不是以实际的速度远离我们而去,取代的是在其间的空间延展,即现在宇宙在不断膨胀中。”

  另一个支持大爆炸理论的证据在1964年被发现。当时,彭齐亚斯、威尔逊两位贝尔实验室的工程师用一台接受卫星信号的微波探测器对准天空,接收到一种奇怪的噪音。无论探测器指向哪里,无论早晚春秋,多余的噪音始终不变,所以它必然来自太阳系外甚至银河系外,不因地球位置而改变。后来科学家推算出这种噪音所对应的是温度为零下270摄氏度的黑体辐射出的电磁波(即大爆炸后的余波,理论物理学家早已预言过)。该发现让两人在1978年获得了诺贝尔物理学奖。

  数十年来,根据严格的观测和物理推理,大爆炸理论已经被绝大多数宇宙学家和天文物理学家所接受:宇宙始于137亿年前发生的大爆炸。在随后不到1秒的时间里,宇宙是一团炙热的“浓汤”,只有最基本的不安分的粒子。随着膨胀和冷却,不同层次的结构依次出现,先是中子和质子,然后是原子核、原子、恒星、星系、星系团,最终形成超星系团。

  但是,对于宇宙形成初期的状态,只有理论,缺少实验。“CERN在2008年耗资100亿瑞郎(约80亿美元)建成的大型强子对撞机正是要解决这个问题,”沃思教授说,“通过高速质子的撞击,来创造一个能量高达10万亿电子伏特(TeV)的大爆炸,或许能从中找到宇宙初期的粒子。”

  没有时光机,如何回到137亿年前

  描述组成物质的那些词里,质子、中子和电子我们都不陌生,那强子又是什么呢?

  在CERN做研究的波士顿大学的闫真博士告诉我,这是粒子物理学的说法。强子所代表的是参与强作用力的粒子,例如质子或者重离子(比如本月初正在加速器里对撞的铅原子核)。

  强子(hadron)这个词最早出自希腊语“hadrós”,意为“笨重的”。组成原子核的质子或中子都叫强子,也可以理解为重粒子;而轻子(比如电子)虽然组成物质,但质量轻,在加速过程中能量很容易损失,因此不适用于高能碰撞。

  CERN的大型强子对撞机是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器(排名第二的是美国费米实验室的粒子对撞机,能量为1万亿电子伏特),主要由几部分构成。闫真博士介绍,首先是一系列初级加速器,将逐级提升粒子速度,随后粒子进入主加速环的两个质子束管,反向而行,分道扬镳。当粒子束将以 99.999%的光速飞行,每秒可以在27公里的管道里飞行超过一万圈。

  粒子束在主加速环里有4个碰撞点,每个撞击点都有一个大型探测器,其中特定粒子探测器是ALICE(大型离子对撞机)和LHCb(底夸克探测器),通用粒子探测器是CMS(紧凑μ子螺线管)和ATLAS(超环面仪器)。很难想象,我所在的ATLAS是这个星球上最大的粒子探测器,其面积近占两个篮球场,约15层楼高。为了展现其直观尺度,CERN在ATLAS实验室马路对面的农场里,做一个镂空的超级大球体,颇为壮观。

  27公里长的加速管内部包覆着超导体,以液氦来冷却,保持管道超低温零电阻,才能让粒子运动接近光速。加速管是由超过1700段超导体管焊接而成,最多的是蓝色的二极磁体管,其总长约20公里,作用是让粒子束保持高速飞行及转向;白色的四极磁体管负责将粒子束聚焦;靠近每个探测器的红色磁体管负责吸引粒子碰撞。

  在2008年9月,正是因为某两段超导体的焊接问题,导致液氦泄漏,最终不得不停机检修。这一停足足浪费了18个月光阴,直到今年3月才重新运转。2010年11月8日,最震撼人心的时刻到了。

  这一天,大型强子对撞机第一次使用重粒子——铅离子进行对撞,过往实验使用的都是质子。铅离子有28个质子,根据爱因斯坦的质能方程,因此在撞击时会产生更大的能量。ALICE探测器捕捉了这一刻——对撞瞬间产生的高温相当于太阳核心温度的100万倍。

  撞击成功后,项目成员、伯明翰大学物理学家戴维·埃文斯博士激动地宣布:“对撞实验产生了迷你版本的宇宙大爆炸以及在实验中取得的有史以来的最高温度和密度。这个过程发生在一个安全、可控的环境内,生成了炽热和稠密的亚原子火球,温度超过太阳核心温度的100万倍。在这一温度下,连构成原子核的质子和中子也被融化了,产生称为‘夸克与胶子等离子体’(plasma)的炽热而稠密的夸克与胶子汤。”

  吊胃口的是,科学家还需要根据探测器记录到的数据来分析究竟撞出了什么。闫真博士说,在每秒产生的10亿次质子对撞中,产生了10万个科学家感兴趣的过程。然而,得到确认的是3000个,最终被记录的事件仅有200个。“而ATLAS记录的数据,每三秒就要灌满一张光碟,这些光碟堆上一年的话,足足有7公里高。”

  难怪,在伯尔尼大学,安东尼奥博士(Antonio Ereditato)领着我们去看高能物理实验室的ATLAS项目,眉飞色舞地指着一个盯着电脑屏幕的女研究员说她找到了某种μ子(类似电子的微粒)。发现对撞后的新粒子犹如中头彩!

  已知的未知和未知的未知

  早在两年前,由于担心造成黑洞毁灭地球,即将启动的大型强子对撞机竟被人告上法庭,不少CERN的科学家收到死亡威胁。

  在电影和科幻小说中,黑洞可以捕获粗心大意的飞船和行星,吞噬整个星系,或者成为平行宇宙的入口。

  按照霍金的理解,黑洞是引力坍塌,向内收缩到某个临界半径,形成强大的引力场,让光线向内弯曲到无法逃逸,而我们知道一切物体的速度都超不过光速,因此黑洞会吞噬一切进入其边界的物体。

  据科学家推算,要形成大型黑洞,能量必须大于1027电子伏特,但在对撞机里即使撞击的是铅离子,也比这个数字要小15个能量级,最多只能达到“迷你”黑洞的级别。

  对此,沃思教授说:“大型强子对撞机确实能制造出一些微型黑洞,但不用担心,这些微型黑洞不会吞噬地球。因为它们持续的时间很短,不足以做到吞噬地球。”

  其实,宇宙射线打到外大气层时,碰撞的能量已经可以超过1012电子伏特,整个地球表面上每天大量产生这样的黑洞。虽然观察不到,但也未危及我们的安全——根据霍金的理论,黑洞的消失速度与其质量成反比,因此微型黑洞在产生的瞬间就消失不见了。

  “如果微型黑洞果真出现了,它们会立刻变成很多小粒子,利用ATLAS探测器应该可以发现。”闫真博士说。

  与探测黑洞的不确定性相比,科学家更希望大型强子对撞机能弥补另一项空白。

  在过去的100年里,经过数以千计的物理学家探索和总结,人类终于对物质的基本结构有了深刻见解。上世纪六七十年代发展出来的“标准模型” 成功地解释了一系列的实验结果,准确地预测了各种现象。随着时间的推移,经过许多物理学家的众多实验积累,标准模型已经成为一个经过良好验证的物理理论。

  这个模型中某些种类是为人熟知的了。比如电子,便是其中之一。夸克是组成质子和中子的最小单位,也是更为奇异的物质。然后还有中微子,W和 Z玻色子,类电子的μ子和τ子,还有胶子——它的作用是将夸克聚合成团。胶子因此提供了所谓的强作用力,而W和Z玻色子提供了弱作用力,它决定了某些放射性反应特性。光子提供了电磁力,这种力广泛存在,从决定指南针的指向到阻止固体物质因吸引而坍塌。

  总之,这16种粒子,可以分为夸克、轻子和玻色子三大类。“简单地理解,夸克和轻子就是组成物质的粒子,玻色子则是负责传递各种作用力。”闫真博士说。

  但是,标准模型还留了一个空位,它就是尚未现身的“希格斯玻色子”(Higgs boson)。

  1993年,美国物理学家莱德曼(Leon Lederman)在《上帝粒子:假如宇宙是答案,究竟什么是问题?》(The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? )一书中最早将希格斯玻色子形容为“上帝粒子”。

  这种神秘的“媒介子”源于1964年英国物理学家希格斯(Peter Higgs)提出的一个理论:大爆炸最初所有的粒子都没有质量。当宇宙逐渐冷却,直到温度低于一个临界值时,一个看不见的力场通过与其相关的粒子形成了,这个力场现在称为“希格斯场”,而该粒子称为“希格斯玻色子”。这个场普遍存在于整个宇宙,任何粒子相互作用都通过希格斯玻色子赋予了一定的质量。粒子间相互作用得越多,则越重,因此从不与其他粒子相互作用的粒子(如光子)则完全没有质量。总之,希格斯玻色子的作用就是将质量赋予其他物质组成粒子。

  然而,从未有人通过实验来观测到希格斯玻色子从而验证这一理论。和很多科学家一样,闫真的博士论文也是关于寻找这种粒子,他说:“不知道它长什么样,甚至连它存在的形式都是未知数。”要找到希格斯玻色子的唯一方法是制造一个宇宙大爆炸发生后的模拟环境,重担自然落到大型强子对撞机身上。

  当然,即使达到如此之高的能量也有可能无法找到希格斯粒子。两年前,当强子对撞机启动时,霍金就下了100美元赌注,赌找不到这种粒子,他说:“也许,希格斯玻色子根本就不存在。”

  即使希格斯玻色子真的存在,对霍金等理论物理学家来说,标准模型也并不令人满意。例如,它并不能解释引力的存在(这也是量子力学的命伤),也不能解释“暗物质”,后者的作用是防止我们银河系这样的螺旋状星系崩溃。如果用望远镜观测宇宙,大多数宇宙中的物质是看不到的,但是我们可以通过引力作用感知它们的存在。

  对于这些科学家来说,找不到希格斯玻色子反倒值得高兴。因为,这意味着我们需要寻找更加不凡的理论。

夸克和轻子是组成物质的粒子,玻色子则是作用力载体,将物质结合起来
夸克和轻子是组成物质的粒子,玻色子则是作用力载体,将物质结合起来

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