科學也可以如此靠近

人類史上最宏偉的機器:歷經20年,全球80個國家近萬名科學家參與


閱圖歐洲大型強子對撞機是目前全球最大、能量最高的粒子加速器,它通過埋入地下米深、總長公里的超導磁鐵加速並碰撞粒子,可在微觀尺度上還原宇宙大爆炸後的宇宙初期形態,幫助科學家研究宇宙起源並尋找新粒子。這個大型強子對撞器從構想到建成,已經歷時近年,耗費資金超過億美元...

- 2018年10月08日06時51分
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歐洲大型強子對撞機是目前全球最大、能量最高的粒子加速器,它通過埋入地下100米深、總長27公里的超導磁鐵加速並碰撞粒子,可在微觀尺度上還原宇宙大爆炸後的宇宙初期形態,幫助科學家研究宇宙起源並尋找新粒子。這個大型強子對撞器從構想到建成,已經歷時近20年,耗費資金超過80億美元,吸引了來自全球80多個國家的近萬名科學家參與其中。

對撞機位於瑞士日內瓦洲與法國交界處, 是一個建於地表下50 ─170 米深,周長27 公里,直徑3 .8 米的圓環形通道。空中的看起來周邊地區的歐洲瑞士和法國,較小的(右下)顯示質子同步加速器地下的位置,中間的環是超級質子同步加速器(SPS)和一個圓周和最大的環狀7公里(27公里)是原大的電子和正電子對撞機(LEP)加速器日內瓦湖的部分情況。

為了節省成本,物理學家們沒有開鑿一條昂貴的新隧道來容納新的對撞機,而是決定拆掉原來安置在歐洲原子核研究中心的正負電子加速器,代之以建造大型強子對撞機所需要的5萬噸設備。

在這個大型的強子對撞器內部,有一條長達27公里的圓形隧道,在這裡科學家們會將質子和離子加速至接近光速,然後使它們相撞,從而模擬出宇宙大爆炸後一萬億分之一秒內的能量和條件,緊接著科學家們會對撞擊所產生的殘骸物進行細緻的分析,以此來探求物質本質的線索,以及自然中新的力量和平衡,最終達到,揭示宇宙起源,尋找「上帝粒子」——希格斯玻色子的目的。

通過這些實驗,一連串未解之謎將被撩開神秘的面紗,「質量的起源是什麼?」、「96%的宇宙是由什麼構成的?」、「為什麼找不到反物質?」、「宇宙誕生後的第一秒又是怎樣的狀態?」、「空間是否存在額外維度」等等這些謎團,將有望一一破解,由此帶來的任何一項科學新發現,都彌足珍貴,足以成為一個個揭秘自然的「金蘋果」。

當兩個質子束在環形隧道中沿著反方向運動的時候,強大的電場使它們的能量急劇增加。這些粒子每運行一圈,就會獲得更多的能量。要保持如此高能量的質子束繼續運行需要非常強大的磁場。這麼強的磁場是由冷卻到接近絕對零度的超導電磁體產生的。物理學家們最希望建造的是一個30公里長的機器,它能以至少5千億電子伏的能量將電子和正電子一起粉碎。

這些質子束將以逆時針方向不斷加速運動,當對撞發生的那一瞬間,產生的高溫將達到太陽溫度的10萬倍,也正是因為這些讓人難以想像的數據,國外已經有些人開始擔心,對撞機一旦失控,會不會導致吞噬地球的黑洞出現,甚至連當時全世界最著名的科學家霍金也加入到這樣的討論中來。

在強子對撞機的內部,兩束高能粒子流在彼此相撞之前,以接近光速的速度,分別通過兩個不同的,處於超高真空狀態的光束管,向相反方向傳播。

其中,1232 雙極磁體被用來彎曲粒子束,而392四極磁體每個都有5到7米長,它們被用來集中粒子流,在碰撞之前,大型強子對撞機利用另一種類型的磁體「擠壓」粒子,讓彼此靠的更近,以增加它們成功相撞的機會,這些粒子非常小,讓它們相撞,就如同讓從相距10公里的兩地發射出來的兩根針相撞一樣。

這兩束高能粒子在強磁場的促使下圍繞加速環告訴運行,而這個強磁場正式利用超導電磁石獲得的,這些超導電磁石採用特殊電纜線製成,它們在超導狀態下進行操作,能夠有效傳導電流,幾乎沒有電阻消耗和能量損失。

而達到這種理想的超導傳輸,大約需要將磁體冷卻到零下271攝氏度,這個溫度比外太空的溫度還低,正是由於這個原因,大部分加速器都與一個液態氦分流系統和其他設備相連,而這個液態氦分流系統就是用來冷卻磁體的。

在這些特定的條件下,最終,大型對撞機內的粒子流將在加速器環周圍的4個區域相撞,而這4個區域正好與粒子探測器的位置相對應。

粒子流碰撞後,會模擬出宇宙大爆炸時的形態,宇宙如何誕生?由什麼物質構成?宇宙的未來又將如何?人類對這些奧秘的探究將更進一步。

作為有史以來最為複雜的科學實驗,而中國也有將近100人參與到了這項實驗中。

雖然大型強子對撞機建在了歐洲,但它是一個寄予了全人類共同的夢想,並且由全人類共同打造的科學奇蹟,這也是中國第一次以平等合作夥伴的身份,參與到國際頂尖科研項目當中,不僅有很多科學家參與了對撞機的研製和兩項主要試驗,對撞機探測器的部分結構也在中國研發,並且中國科學家今後可以分享對撞期間的研究數據。

2008年9月10日,對撞機初次啟動進行測試。這次測試是研究人員將一個質子束以順時針方向注入到加速器中,讓其加速到99.9998%光速的超快速度,從而使此質子束在全長27公里的環形隧道中以每秒11245圈的速度狂飆。這一幕通過網絡視頻向世界進行了直播,還有300多名記者來到此實驗室目睹測試過程。

美國耶魯大學物理學教授,保羅·第普頓,他語重心長地告訴大家,強子對撞機也許不會讓你在下個月看到一個更亮的電燈泡,但是,人類從來沒有把自己掌握的知識,束之高閣。宇宙的秘密一旦打開,我們都將躍上一個新境界。

我們很難想像在現實世界裡,會看到這樣一個龐然大物,這個龐然大物的名字叫大型強子對撞機,長27公里,深埋在法國瑞士邊境地下100米的深處,它是我們揭開宇宙秘密的解碼器,重現了宇宙誕生時的形態,開啟了重大物理學發現的一個新黃金時代。


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