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世界最大粒子加速器重启!将寻找新粒子
2015-04-06 12:58:36  出处:观察者网   编辑:朝晖   点击可以复制本篇文章的标题和链接

“就是今天!”欧洲核子研究中心(欧核中心,CERN)的物理学家、相关部门负责人博尔德里(Frédérick Bordry)昨天在瑞士调控中心发出这样一条推特,在经历两年停机维护、加固升级及数月重启准备后,世界最大的粒子加速器——欧洲大型强子对撞机(LHC)当天正式开启第二阶段运行,物理学家们又开始新一轮的寻找神秘粒子之旅。

欧洲大型强子对撞机是目前全球最大、能量最高的粒子加速器,它通过埋入地下100米深、总长27公里的超导磁铁加速并碰撞粒子,可在微观尺度上还原宇宙大爆炸后的宇宙初期形态,帮助科学家研究宇宙起源并寻找新粒子。

重启比原计划晚了一周,因为对撞机磁路在3月21日出现了故障。

欧核中心在公报中说,欧洲大型强子对撞机于当地时间5日上午10时41分发射出第一束质子束流,另一束相反方向的质子束流于5日中午12时27分发射,两束质子束流循环的注入能量为0.45万亿电子伏特。

质子束流在总长27公里的环状隧道内,以接近光速的速度进行对撞。物理学家们在对撞过程中寻找未知的神秘粒子。据信,这些粒子在大爆炸后的宇宙形成过程中扮演了重要角色。

按规划,欧洲大型强子对撞机第二阶段运行可实现每个质子束流产生6.5万亿电子伏特的能量,进而在今夏实现以创纪录的13万亿电子伏特的质子束流总能量进行对撞实验。公报说,未来数天科研人员将会在检查各系统状况后逐步提升质子束能量。

公报说,在对撞机停机期间,欧核中心强化了对撞机的1万个超导磁铁连接点,安装了超导磁铁保护系统,同时改进增强了制冷、真空及电子系统。随着今夏将以13万亿电子伏特的质子束流总能量运行,欧洲大型强子对撞机实验将探索希格斯玻色子机制、暗物质、反物质等更多未知领域。

欧洲大型强子对撞机于2008年9月建成运行,首阶段运行于2012年末结束。该阶段的两个强子对撞实验项目ATLAS和CMS均证实了“上帝粒子”希格斯玻色子的存在,理论上认为希格斯波色子是构成宇宙的最基本组成部件之一,解释了为何其它粒子会拥有质量

根据这一理论,在宇宙大爆炸后,希格斯场和与之对应的粒子——希格斯玻色子一同形成。而希格斯场,这种看不见的力赋予了其他基本粒子质量的属性。

研究者们想要借此揭开有关宇宙基本组成的更多迷题,他们希望能在未来几年首次获得暗物质存在及其组成的实际证据。

德国电子同步加速器研究所(DESY)所长姆尼克(Joachim Mnich)表示,"大型强子对撞机以更高的能量重启,给予了进入新未知领域和发现新物理现象的机会,比如证明暗物质的存在"。

目前DESY的150名工作人员参与了欧洲粒子物理研究所的实验项目,而世界范围内有上万名科学家参与了该实验。

Majorana(马约拉纳)和Gerda(锗探测列阵)其实都是女子名,它们指的是两个欧、美联合项目。这两个项目都在“搜寻反中微子”(确认中微子是否就是自己的反粒子,可发生“无中微子双β衰变”)——在物理学中,目前尚未发现任何支持反中微子存在的证据。但是如果得到证实,可以将科学的发展向前推进数十年。因为这可以解释宇宙中暗物质的组成,从而揭开自然科学史上的一大迷题。

尽管历经多年,无论马约拉纳研究还是锗探测列阵研究都没拿出有力的结果。德国之声去年曾在一篇评论中称,不过在中国人还没有加入这一研究前,这不算太糟糕。然而现在,中国人不但加入而且似乎超过了西方——至少他们已经为此创造了最好的条件。

梅东明是建造反中微子探测器最有声望的专家之一,本已在美国工作多年。然而当听说自己的祖国也开始进行这项研究后,他回国了。谁能为此责怪他呢?他的美国同事此前做梦也没想到,中国有一天会成为比美国更吸引人的研究地。

要想证明反中微子的存在,还需要另一种极难提取的物质——锗。梅东明这些研究人员用高纯度锗制造的探测器要追踪反中微子,还需要一个特别的环境。这个环境不仅需要最先进的电子设备,也需要极度纯净的技术,光是实验人员身上的微尘粒就能导致结果有误。在这些问题上,中国人需要帮助。

更重要的是这样的实验必须完全避过各种宇宙辐射,因此搜寻反中微粒子的实验室必须建在地下深处。所有这些,人们都一直没想到中国人能做到。然而如今,他们在四川省的深山区开始挖建世界最深的实验室(中国锦屏地下实验室——观察者网注,由清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司共建)。其中的一厅已经建成,剩余的七厅预计在2018年前完工。最晚到那个时候,中国人就将拥有比意大利中部的、领先世界的大萨索山实验室更先进的地下实验室。大萨索山地下实验室现在整体陷入停滞:西方研究人员很难找到用于修建微子探测器的5亿欧元,因此他们羡慕地望着东方——在那里,钱不是问题。

这个东方实验室在一定程度上,算是雅砻江八万人施工的世界最大围堰的副产品。相比之下,大萨索山的欧洲地下实验室看上去像是间游戏室。针对微子物理学家担忧的宇宙射线,在四川山下要比在大萨索山下弱200倍。四川实验室还将前所未有得装备一个由1000公斤高纯度锗制造的探测器——这至少耗资5亿欧元。中国已经是一个高科技国家,而且正在成为一个航天大国。如今,中国也要在最顶尖的基本粒子物理学中立足。

欧洲人,其中也包括慕尼黑马克斯·普朗克物理研究所的研究人员,已被野心勃勃的中国人所吸引,以至于他们新近一致决定和中国人合作——而且是在中国人的领导下。而美国人则更持怀疑态度,他们最多愿意充当顾问。

对于这项研究而言,更好的当然是大家一起搜寻。然而这对于正处于上升和下降中的大国代表们来说很难。欧洲和美国合作的非常不错,而这也体现了在一个多元化的世界秩序下,应该共同解决世界大问题,而这就要求每位参与者都学着退一步。奖励将是一个由美、欧、中研究者共同获得的诺贝尔物理奖以及一个政治上的巨大进步。

世界最大粒子加速器重启!将寻找新粒子
CERN的相关部门负责人博尔德里

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世界最大粒子加速器重启!将寻找新粒子
世界最大粒子加速器欧洲大型强子对撞机

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