在瑞士日內瓦的歐洲原子能研究中心(CERN)就聚集了一幫世界頂尖科學家,幾十年來,上下求索,探究宇宙奧秘。CERN震驚物理界的成果,當屬利用大型強子對撞機(LHC)發現了希格斯玻色子。這種亞原子粒子又被稱為“上帝粒子”。它的發現,為粒子擁有質量提供了最強大的佐證。
錢思進說,每年4月啟動,12月中旬停下來,這個龐大的科研大機器在遙遠的瑞士日內瓦不舍晝夜地運轉著。借助于對撞機產生的前所未有的能量,隨時在上演實驗室微縮版“宇宙大爆炸”。
借助大型強子對撞器,這里的科學家們得以制造“迷你版”宇宙大爆炸之后的瞬間狀況,從而探究“暗物質”,“暗能量”等宇宙之謎。中心內的學術氣氛卻是分外濃烈,隨時可見不同膚色、不同裝束的學者聚在一起,操各種口音的英語或法語討論問題。
記者此行想要探訪的大型強子對撞器就坐落在日內瓦附近瑞士和法國的交界朱拉山地下100米深、總長27公里的環形隧道內。它在2008年5月投入運行后,一年工作從4月底開始啟動,一直運行到12月份中旬停下來。
錢思進教授詳細闡述了大型強子對撞機的對撞原理和路徑。首先,從氫氣瓶中產生一束質子包,注入到加速器系統里面去加速。錢思進說質子沿著環形隧道行進,不斷加速,持續獲得能量。
“和大家想象中不一樣,質子進入加速器后并不是沿著一條直線運行的。”錢思進說,就像火箭發射一樣,要經歷多次加速的過程,質子的能量經歷不同等級的加速后達到最大值。作為目前全世界最大,能量最高的一個粒子加速器,它可以把質子加速到7萬億電子伏特的能量——這是以前從來沒有達到過的。
錢思進接著說“當兩個七萬億電子伏特的質子,以接近光速的速度進行對撞時,產生十四萬億電子伏特的火球,這個火球的溫度可以達到10的16次方,相當于太陽中心溫度的十億倍。宇宙是140億年以前由大爆炸產生的,這就相當于把時間推回到140億年以前的宇宙產生初期的極高溫高壓的一個狀態。在這里,科學家試圖通過制造“迷你版”宇宙大爆炸之后的瞬間狀況,探秘“暗物質”,“暗能量”等其他未解之謎。
探測器中安置的超環面儀器抓取碰撞影像的速度可達每秒4000萬次,從而在粒子級別上記錄任何細微的變化。“上帝粒子”就是這樣被發現的。質子不斷加速,最終以接近光速的速度運行。一秒鐘要在27公里隧道里面轉到超過一萬億一千五百圈。
“這個時候探測器會幫助我們。”錢思進告訴記者,對撞機內,有兩條平行的束流管道,這就是質子運行的通道了。在整個對撞過程中,兩個束流管彼此平行,從不交叉。只在四個點交匯,那就是所謂的對撞點。每個對撞點各裝有一個探測器,他本人就在其中一個探測器工作。
為處理由此產生的海量數據,3000臺計算機會同時運轉,從大量無效碰撞數據中選取符合研究需要的少數粒子高能對頭碰撞記錄并加以分析。即便如此,篩選出的有用數據量仍大得驚人。這一探測器運行一年產生的數據如用DVD光盤刻錄,所有光盤鋪排起來將長達7公里。
“碎片是什么粒子,運行速度有多快,能量多大?”錢思進告訴記者,探測器會將這些碎片搜集起來,同時運用一套強大的信息處理系統,將碎片的信息儲存,再倒推,重現粒子本身的特質。“通過多次對撞,發現,倒推的過程,我們可以發現以前并不存在的粒子,希格斯玻色子就是這樣被發現的。”
2035年后,CERN計劃建設新一代環形對撞機,軌道總長將達100公里,以進一步尋找新粒子。
從質子發射到注入加速器系統,最后越來越快,接近光速,大概需要45分鐘。從氫氣瓶中產生質子,到質子達到設計的能量去對撞,對撞發生后,兩束質子可以一直對撞下去,一直對撞到37小時。
錢思進介紹,目前,大強子對撞機已經達到其設計能量。希格斯玻色子之后,下一個新粒子在哪里?對此,科學家認為,要進一步尋找新粒子,需建設能量和精度更高的機器。

