世界最大对撞机LHC启动在即

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9月10日正式启动

据欧洲核子研究中心（以下简称CERN）官方网站公布，2008年9月10日，目前世界上最大的加速器——大型强子对撞机（Large Hadron Collider，以下简称LHC）将首次注入一束高能质子，进入正式试验阶段。英国物理学家斯蒂芬·霍金，在LHC破土之初就对其期望厚重。他在2002年8月一次旅华讲演结束时说：“但愿LHC能发现微小黑洞，我将因此获得诺贝尔奖。”而美国物理学家弗兰克·维尔泽克则对LHC做出这样的展望：“它将开启物理学的黄金时代。”维尔泽克在研究“夸克”方面表现突出，并因此获得2004诺贝尔物理学奖。“夸克”是目前人类能够证明的自然界最小的粒子。

从2008年5月起，有关LHC的启动日期就一推再推。直到2008年8月25日，LHC才完成最终的调试工作。调试的主要内容是将一束质子由加速器注入到对撞机环形质子束管，并让它们沿逆时针方向在管内运行大约3公里。这个实验为9月份的质子对撞实验铺平了道路。9月份的正式质子对撞实验是由正反两个方向注入接近光速的高能质子束，并强迫这两束质子在预定点碰撞。在这些预定点上，科学家们希望能够窥见那些迄今不为人知的冥冥之中的宇宙奥秘。

LHC地处瑞士日内瓦近郊的地下100米处，邻近法国边境，隶属欧洲核子研究中心。它周长约27公里，圈地面积约有450个“鸟巢”那么大。这是人类目前能将粒子加速到最高能量状态的环形加速器，可以将质子加速到99.9999991%光速。格雷厄姆·P·柯林斯（Graham P. Collins）在年初的《科学美国人》杂志上对它有如下评价：“你可以把它看成科学史上尺寸最大、功能最强的显微镜。它将赋予我们前所未有的能力，探究发生在迄今为止距离最短（小到1纳纳米，即百亿亿分之一米）、能量最高状态下的物理过程。”

在LHC建成之前，世界上最大的粒子对撞实验室是美国的费米国家实验室，曾经因其第一次直接观测到T中微子而震惊物理学界。费米实验室1983年建成，耗资1.2亿美元，可以实现粒子在约1.98TEV能量下进行碰撞。而LHC远远超过了它，可以使粒子在约7TEV的能量下碰撞。

据中科院高能物理研究所研究员李海波介绍，除了能量外，分析加速器的实验等级，还要看实验室的“亮度”（科学家每次试验能够收集到的数据数量，直观上好比人能看清某个东西的清晰度，所以叫“亮度”），具体表现就是实验室能容忍的最高密度的质子束的数量。在这方面，LHC差不多是费米实验室的100倍，换句话说，一个LHC，就相当于放大了700倍的费米试验室。也许正因为等级悬殊，美国政府可能会在LHC正式启动后关闭曾经显赫一时的费米试验室。据李海波介绍，他的美国同行都表示很惋惜：“如果当初美国建设的SSC（超级超导对撞机）不是因为（对伊拉克）战争造成资金困难而难产，当今世界的高能物理学研究中心也不会由美国向欧洲迁移了。”

每秒钟发生6亿多次对撞

在整个环形加速器上，布满了约7000块磁铁，其中有少部分磁铁由中科院高能物理研究所生产并提供。据称这是中国对LHC项目的全部财力投入。相对于LHC耗资数十亿美元的经费来说，实属九牛一毛。

“日本比我们国家的投入要多得多了，这也是没有办法的事情，这受我们国家的财力限制，我们这些科研工作者只能感到惋惜。”李海波说。

这些磁铁将用液态氮气冷却到约1.9K的温度，也就相当于零下245摄氏度，这温度比远离太阳的木星还要寒冷，已经接近绝对零度，而绝对零度是人类迄今无法实现的状态。在这种温度状态下，磁铁上的线圈达到超导状态，电阻基本降低到零。这样一方面节省电能，另一方面可以给环形加速器提供持续稳定的磁场。这样的磁场可以使得质子获得其普通状态下的7000倍能量，用格雷厄姆·P·柯林斯的比喻说：“整个加速器满负荷运转时，所有粒子携带的总能量，大约相当于900辆时速100千米的小轿车所具有的总动能——如果用这些能量烧水的话，足可以冲开2000升咖啡。”

所有质子分属将近3000个束团（准确数字是2853束），每个束团约由1000亿个质子组成。然而，每个束团非常纤细，仅16微米，长度数厘米，像一根短小的蚕丝。如果要保证实验足够的“亮度”，科学家必须想方设法让这么纤细的小蚕丝沿着顺逆时针两个方向准确运行，并在4个对撞点上准确地让一根与另一根相撞，并且是依次相撞，并非齐头并进。

CERN的研究人员确信，他们能够保证每秒钟发生至少6亿次粒子对撞。每次碰撞被称为一个事例（event）。4个对撞点上安装了4个巨型探测器。据说其中最大的一个，能填满半个巴黎圣母院；最重的一个所用的铁，比埃菲尔铁塔还多。

这些巨型探测器的安装精度要求极高，一些部件必须定位在50微米的精度以内。它们将记录并测量每次对撞产生出的上千个粒子。质子是很小，但相对于另一个质子来说，却非常大。就相当于在宇宙中渺小的人类相对于另一个人来说，并不渺小。人与人之间的碰撞大多是拳头对拳头，脑袋对脑袋的碰撞，也就是说是身体部位的碰撞。所以，这些质子的碰撞也应当是质子的“部位”——夸克（quark）和胶子（gluon）之间的碰撞。

夸克和胶子是人类目前能够证明的最小粒子，那么这些最小的粒子能撞出什么更小的新粒子或者某种尚未发现的微观物理状态，并让人类对微观世界的偷窥更进一层呢？科学家希望在其中发现希格斯波色子、超对称粒子、暗物质粒子、微小黑洞……

实验不能太暗，也不能太亮

LHC在预设亮度下运行时，每个质子束团中的1000亿个质子，将只有20个与另一个质子束团的20个碰撞并产生20个事例。由于这些“小蚕丝”是依次排队碰撞，所以每二个碰撞都有间隔，但间隔仅25纳秒，所以前一事件向外喷射的粒子还来不及离开探测器外层，后一次事件就已经发生了。喷射的粒子将由探测器捕获并记录数据。但是，如果产生的粒子数量过大，或者产生一些目前人类探测器尚无法看到的新粒子，那么它们将逃逸出LHC，为以后的数据分析留下隐患。

粒子束绕环形加速器运行时，将产生3种影响实验“亮度”的效应。正如前面提到的，每束1000亿个质子中将仅有20个质子发生碰撞，剩余粒子会被反向的群的电磁力推向偏离。由于整个粒子束会绕行环形加速器4亿圈，那么，每一圈的偏离都累积起来，很可能有意外的粒子损失。

研究人员表示，如果想使粒子束中的离子不会大量意外损失，维持实验时间，粒子束密度就不能超过一个极限。

另外，由于2853束质子束团要绕行27千米的 LHC管道中以接近光速运行，而束团的碰撞一次进行。但是每一次碰撞都会影响碰撞点的原有磁场。这让下一个碰撞变得更难控制，也有可能导致粒子束的丧失。相比其他实验室，LHC的这种问题更严重，因为它因追求亮度而注入更大的粒子束。所以自然总是如此让人类无奈，你的实验不能太暗，太暗你什么都看不到，你也不能太亮，太亮就直接不让你看了。为此，CERN的工作人员选择了这个尽可能亮的2853束质子束团。

按计划，10年之后，LHC将退出历史舞台，因为一个升级计划正在酝酿之中，人们打算在LHC的基础上对它进行升级，制造出VLHC（Very Large Hadron Collider，超大型强子碰撞机）。

数据处理也分等级

LHC加速器将由CERN的一个小组负责控制。LHC上的四个巨型探测器各负责一项实验，分别被称为ATLAS、ALICE、CMS和LHCb。每个探测器，都拥有它们自己的控制室。

每个事例将产生大约1兆字节（MB）的数据，两秒钟就是1皮字节（PB，相当于10亿MB），这些数据流将通过上百万条通讯信道传送出来。在两个最大的探测器中，每一个都拥有近1亿条数据流，每秒钟产生的数据能够写满10万张光盘。用柯林斯的话说：“只需要6个月的时间，这些光盘就可以从地球堆到月球。因此，这些实验不会去记录所有的数据，而是设计了所谓的触发系统（trigger）和数据获取系统（data-acquisition）。这些系统就像垃圾邮件过滤器一样，每秒只筛选出100个看起来最有价值的事例，将它们的数据传送到CERN的LHC中央计算系统，以备存档和事后分析之用。”

LHC的计算中心也分三六九等。

欧洲原子能研究中心上千台计算机组成的计算机群，把过滤后的原始数据转化为更加紧凑的格式。物理学家将通过一种所谓的“网格网络”（gridnet work）分析这些数据。这种网络由世界各地研究机构的数万台计算机组成，它们就作为中介，或者叫枢纽，连接亚洲、欧洲和北美洲的12个大型网络集线中心，再通过专用光缆连接到CERN。

LHC计算网格分三层：第零层、第一层、第二层。LHC上四个探测器的数据获取系统会把数据传送到第零层并保存在磁带上。第零层将把数据分配给12个第一层计算中心，其中一个设在CERN，另外11个分布在世界各地的其他主要研究机构，包括美国的费米实验室、布鲁克海文国家实验室，以及欧洲、亚洲和加拿大的几个研究中心。因此，未经处理的原始数据实际上拥有两个备份，一个保存在CERN，另一个分散在世界各地。

完整的LHC计算网格还包括第二层计算中心，主要由大学和研究所的小型计算中心构成。这些中心的计算机将为整个网格上的数据分析提供分布式处理功能。据李海波介绍，每个国家的实验室能够获得什么样级别的分享数据待遇，主要看其投入建设LHC项目的资金比重。目前，中国各大实验室只能作为第二层计算中心，而日本则获得了第一层计算中心的资格。

“作为科研工作者，我感到非常遗憾。我们一起开玩笑说，像这么大型的加速器实验室项目，估计每50年才有一次。我们只能等下一次了。再过50年，我们的综合国力强了……那时我们都八九十岁了，肯定搞不动高能物理实验了。”李海波说。

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等待LHC的都是些石破天惊的发现

2008年9月10日，大型强子对撞机（LHC）将正式启动，接近光速的质子束之间的碰撞将会导致什么样的发现呢？

世界各大媒体都对它怀着巨大的期待。2007年5月，《纽约时报》以《向物理学最重大疑问大步挺进》为题对LHC做详细介绍，文中不乏这样的词汇：“他们已然准备就绪，重现宇宙诞生的景象。一次，再次，又一次……事实上，每秒3千万次，让宇宙一次又一次地诞生着。”

发现“上帝的粒子”
LHC的ATLAS和CMS探测器主要用途就是用来发现新粒子的。

希格斯玻色子是由英国科学家彼得·希格斯（P. W. Higgs）提出的，目的是为了解释为何物质具有质量。换句话说，这个希格斯推想的粒子如果不存在，那么就有三种情况：我们不会有质量；肯定有另外的粒子或者物理状态使得物质赋予质量；用来解释宇宙“所有事情的组成”的标准模型存在大的谬误。

“标准模型”是上世纪50年代起由众多科学家提出并逐步完善的模型。它是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力的理论。到目前为止，几乎所有对以上三种力的实验的结果都合乎这套理论的预测。但是标准模型还不是一套万有理论，主要是因为它并没有描述到重力。

标准模型包含两种粒子——费米子和玻色子，简单说来，费米子就是组成物质的粒子，而玻色子则负责传递各种作用力。标准模型所预测的W玻色子、Z玻色子、胶子、顶夸克及魅夸克，最终被实验一一验证，这些结果都令物理学家十分振奋，一座结构复杂、野心勃勃的物理学大厦即将建成，他们期待这一模型将成为“解释宇宙所有事情”的模型。不过，他们始终逃脱不了标准模型的最大缺陷，该模型不能解释质量。

希格斯曾被人誉为第二个爱因斯坦，他无比大胆地提出“希格斯玻色子”（Higgsboson）的存在，使得“标准模型”理论趋向完美。

“希格斯玻色子”填补了标准模型的缺陷。但问题是，从来没有任何一个人观测到“希格斯玻色子”的存在。

2000年，CERN通过当时世界上最大的正负电子对撞机LEP攫取了少量的疑似希格斯粒子，但统计数据不足以做出任何确定的推论。

2003年，物理学家试图通过位于美国芝加哥的费米实验室的正负质子对撞机，让质子与反质子相互对撞分析出希格斯粒子的存在。但回收反质子的方案并不可行，而且存在已有二十年之久的正负质子对撞机需要很长时间来修复，费米实验室的研究最终搁置。

人们总是将自己束手无策的疑惑交给“上帝”，1988年诺贝尔物理学奖得主利昂·莱德曼将“希格斯玻色子”称为“上帝的粒子”(God Particle)，这一称呼如今被广泛引用。

2008年4月7日，头发雪白的彼得·希格斯在接受路透社记者采访时说：“我请求‘上帝的粒子’，让我再多活几个月。”5月29日就是希格斯80岁的生日，他说：“我要将此作为我的生日礼物，我准备了打开一瓶香槟。”不过，由于LHC的调试工作比预期的要困难和复杂，年迈的希格斯还必须继续等待。

中科院高能物理研究所研究员李海波说：“建造LHC，主要目的就是为了发现希格斯玻色子。而LHC的前身曾经做过这方面的努力，但是没有成功。如果希格斯玻色子没有被发现，那么可能会发现某种类似希格斯玻色子的粒子，用来解释质量。如果什么都没发现，那可能说标准模型在某个特定能量段还存在缺陷。这是好事情。”

李海波认为：“如果标准模型是完美无缺的，那么剩余给后代的理论物理学家的事业，真的稀少而枯燥了。不过科学史已经无数次印证，人类这种企图以一种理论的建构而一劳永逸的梦想有过多次，但是都最终惊醒。标准模型如果存在无法弥补的漏洞，那么对于年轻的物理学家们，并不是一件坏事，反而可以说是理论物理学春天的到来。”
【南方周末】本文网址：http://www.infzm.com/content/16770

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超对称粒子和暗物质
超对称是费米子和玻色子之间的一种对称性，该对称性至今在自然界中尚未被观测到。物理学家认为这种对称性是自发破缺的。所谓的自发破缺，就是在低能量等级下，无法存在超对称粒子。物理学家怀疑，在光速或者接近光速的能量等级下，是否能够存在超对称粒子。而LHC也许已经创造了这样的条件。人们都在期待其在发现超对称粒子上有所突破。

到1980年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质已经被广为接受。但是人们不知道暗物质粒子到底是什么。“可以说，暗物质时时刻刻都在触摸我们，穿透我们的身体，但又不和我们发生任何作用。”李海波说。

如果LHC此后的实验能够发现一种或者多种暗物质的候选者，那么就给现在的天文学中对于暗物质的观测提供极大的帮助。

发现反物质
LHCb实验室主要是用来寻找并研究反物质的。

曾经有一个很著名的照镜子比喻：当你照镜子时，镜中的那个你如果真的存在，并出现在你面前，会怎么样呢？科学家把镜中那个你叫做“反你”。科学家想象很远的地方有个和我们的世界很像的世界，它将是一个由反恒星、反房子、反食物等所有的反物质构成的反世界。反物质正是一般物质的对立面，而一般物质就是构成宇宙的主要部分。

1932年，美国物理学家安德逊在实验室中发现了狄拉克所预言的正电子。1955年，美国物理学家西格雷等人用人工的方法获得了反质子。此后人们逐渐认识到，不仅质子和电子，所有的微观粒子都有各自的反粒子。人们开始逐渐承认反物质粒子的真实存在。

如果以后LHC的实验能够大量制造反物质，无疑给科学家提供了更多研究反物质的机会。

发现高维空间
LHC一旦正式运转，如果实验顺利，不但极有可能“上帝的粒子”的确实存在，来安抚每天为标准模型寝食难安的科学家，甚至有可能探测到高维空间（即第4、5、6……维空间）存在与否。这目前也尚处于理论阶段。

不过，能不能检测到额外维空间的存在，起码需要两个条件，第一，额外维空间确实存在；第二，LHC的实验“亮度”足够，可以非常精确地计算逃逸出去的质量。

揭开宇宙诞生之谜
ALICE实验室主要是进行重离子实验的。LHC加速以后，质子相互碰撞可以达到宇宙大爆炸时宇宙中粒子能够达到的能量等级，所以可以窥视宇宙大爆炸的某些情形。

我们的宇宙来自哪里？来自宇宙诞生的那个时刻。那么那个时刻是什么样的呢？研究常态下的基本粒子，我们根本无法知晓。现在宇宙中的普通物质由原子构成，原子拥有一个由质子和中子构成的核子，质子和中子则由夸克组成，夸克由胶子粘合并束缚在一起。最初的宇宙爆炸瞬间，并没有像现在这样稳定的质子，而是“夸克-胶子等离子体”。这些等离子体制是在稍后的几微秒摇身一变，变成了今天的宇宙中常见的粒子。

LHC的ALICE实验就是企图生产非常不稳定的“夸克-胶子等离子体”，并以此研究宇宙的诞生之谜。

“杀手奇异子”危害人类？
3月21日，有两位美国人（Walter L. Wagner和 Luis Sancho）提出，LHC的强子撞击，很有可能产生不可知的危害物，比如黑洞，比如“杀手奇异子”（killer strangelets，一种包含非通常夸克的假想粒子物质。如果一种奇异子十分稳定并带有负电，就有可能“吃掉”普通物质的核子，并将其转变为奇异物质。最终，一系列连锁反应会吞噬整个地球和人类）。

欧洲核子研究中心并没有就此事作出正面回应，其发言人称：“一个夏威夷的联邦地方法院怎么会对一个欧洲的非政府科学研究机构具有司法权呢？”

CERN早在2003年发布的LHC安全性的评审报告即认为，加速器有微小几率创造出短暂的小黑洞或者磁单极子。它们会破坏普通原子的质子。但它的结论是，这些假想情况即使发生，也不会导致灾难。

李海波说：“由于小黑洞太过微小，根据霍金辐射（黑洞并不是完全黑的，它仍以某种形式向外辐射能量，称霍金辐射），现在不是能不能制造小黑洞的问题，而是能不能观测到小黑洞的问题，因为小黑洞极其不稳定，太过微小，它的寿命可以用瞬间来形容。”

不过，所有关于LHC的发现之旅都还停留在预言阶段。有人甚至认为，LHC将不会超越以前的所有加速器有什么新的发现。果真如此，那么CERN巨额的资金投入将会成为一个天大的玩笑。
【南方周末】本文网址：http://www.infzm.com/content/16770/1

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科学史上的标志性事件，或将开启物理学的黄金时代
美国费米国家实验室所属的大型对撞机将因此而关闭，此举意味着世界高能物理研究中心由美国迁往欧洲

9月10日正式启动
据欧洲核子研究中心（以下简称CERN）官方网站公布，2008年9月10日，目前世界上最大的加速器——大型强子对撞机 （Large Hadron Collider，以下简称LHC）将首次注入一束高能质子，进入正式试验阶段。英国物理学家斯蒂芬·霍金，在LHC破土之初就对其期望厚重。他在2002年8月一次旅华讲演结束时说：“但愿LHC能发现微小黑洞，我将因此获得诺贝尔奖。”而美国物理学家弗兰克·维尔泽克则对LHC做出这样的展望：“它将开启物理学的黄金时代。”维尔泽克在研究“夸克”方面表现突出，并因此获得2004诺贝尔物理学奖。“夸克”是目前人类能够证明的自然界最小的粒子。

从2008年5月起，有关LHC的启动日期就一推再推。直到2008年8月25日，LHC才完成最终的调试工作。调试的主要内容是将一束质子由加速器注入到对撞机环形质子束管，并让它们沿逆时针方向在管内运行大约3公里。这个实验为9月份的质子对撞实验铺平了道路。9月份的正式质子对撞实验是由正反两个方向注入接近光速的高能质子束，并强迫这两束质子在预定点碰撞。在这些预定点上，科学家们希望能够窥见那些迄今不为人知的冥冥之中的宇宙奥秘。

LHC地处瑞士日内瓦近郊的地下100米处，邻近法国边境，隶属欧洲核子研究中心。它周长约27公里，圈地面积约有450个“鸟巢”那么大。这是人类目前能将粒子加速到最高能量状态的环形加速器，可以将质子加速到99.9999991%光速。格雷厄姆·P·柯林斯（GrahamP.Collins）在年初的《科学美国人》杂志上对它有如下评价：“你可以把它看成科学史上尺寸最大、功能最强的显微镜。它将赋予我们前所未有的能力，探究发生在迄今为止距离最短（小到1纳纳米，即百亿亿分之一米）、能量最高状态下的物理过程。”

在LHC建成之前，世界上最大的粒子对撞实验室是美国的费米国家实验室，曾经因其第一次直接观测到T中微子而震惊物理学界。费米实验室1983年建成，耗资1.2亿美元，可以实现粒子在约1.98TEV能量下进行碰撞。而LHC远远超过了它，可以使粒子在约7TEV的能量下碰撞。

据中科院高能物理研究所研究员李海波介绍，除了能量外，分析加速器的实验等级，还要看实验室的“亮度”（科学家每次试验能够收集到的数据数量，直观上好比人能看清某个东西的清晰度，所以叫“亮度”），具体表现就是实验室能容忍的最高密度的质子束的数量。在这方面，LHC差不多是费米实验室的100倍，换句话说，一个LHC，就相当于放大了700倍的费米试验室。也许正因为等级悬殊，美国政府可能会在LHC正式启动后关闭曾经显赫一时的费米试验室。据李海波介绍，他的美国同行都表示很惋惜：“如果当初美国建设的SSC（超级超导对撞机）不是因为（对伊拉克）战争造成资金困难而难产，当今世界的高能物理学研究中心也不会由美国向欧洲迁移了。”
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