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2011年02月15日 09:32 來源：南方周末 (李淼 作者系中科院理論物理所研究員) 
英國伯明翰大學(xué)的物理學(xué)家埃文斯在近距離觀看ALICE探測器中“小爆炸”的發(fā)生情景 大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)的第一年運(yùn)行非常平穩(wěn)，雖然因?yàn)闀r(shí)間和亮度的關(guān)系，還沒有發(fā)現(xiàn)希格斯粒子與新物理，但很好地驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)模型以及實(shí)現(xiàn)了“小爆炸”，這對研究早期宇宙很有幫助。 大型強(qiáng)子對撞機(jī)，英文簡寫為LHC，是最吸引人眼球的科學(xué)裝置和實(shí)驗(yàn)。該裝置位于日內(nèi)瓦附近的瑞士和法國交界處，主要部分安置在一個(gè)周長為27公里的隧道中，該隧道最深達(dá)175米。 這個(gè)隧道并不很新，建造于1983年到1988年之間，曾經(jīng)安置過大型正負(fù)電子對撞機(jī)(LEP)。這臺同步加速器為了給LHC讓路在2000年就關(guān)閉了，但成果斐然。在運(yùn)行的11年間，精確確定了粒子標(biāo)準(zhǔn)模型中迄今發(fā)現(xiàn)的重量排名第二和第三的兩個(gè)粒子的質(zhì)量，即所謂中間玻色子的質(zhì)量，同時(shí)也精確確定了標(biāo)準(zhǔn)模型中的很多其他參數(shù)。可惜，這臺加速器并沒有發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一個(gè)粒子，希格斯粒子。 大型強(qiáng)子對撞機(jī)的主要目的是完成大型正負(fù)電子對撞機(jī)的未竟事業(yè)，找到希格斯粒子。當(dāng)然很多物理學(xué)家還期待大型強(qiáng)子對撞機(jī)帶給我們更多的驚喜，即超出標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新粒子和新物理。 加速器 在談LHC運(yùn)行一年多中的各種發(fā)現(xiàn)之前，我們先簡單說說加速器是什么，我們?yōu)槭裁匆ㄔ爝@些龐然大物。 我們知道，我們用肉眼看東西有尺寸上的限制，原因是我們只能看到可見光，而可見光的波長最短是0.39微米即390納米。光學(xué)以及量子力學(xué)告訴我們，為了要看到更小的東西，我們需要更短的波長。例如，X光的波長最短達(dá)0.01納米。短波的X射線由于波長極短，可以穿透固體，可以探測固體內(nèi)部以及可以為固體結(jié)構(gòu)成像。同理，更短波長的伽瑪射線可以探測更小的尺度。 物理學(xué)家為了探測亞原子結(jié)構(gòu)，還需要其他高能粒子，如正負(fù)電子和質(zhì)子以及反質(zhì)子。粒子的能量越高，波長也越短(物質(zhì)波的波長)，這樣就可以探測到更小的尺度。最早的粒子加速器是Cockcroft-Walton倍壓器，利用電壓來加速電子。現(xiàn)在的粒子加速器五花八門，從直線加速器到回旋加速器。 大型強(qiáng)子對撞機(jī)是同步加速器，最高單個(gè)粒子能量設(shè)計(jì)是7T電子伏。這里T是10的12次方，即一萬億。我們也可以用速度來想象質(zhì)子達(dá)到的能量，我們知道，相對論告訴我們?nèi)魏挝矬w最高的速度是光速，一個(gè)能量為7T電子伏的質(zhì)子的速度與光速只差了不到一億分之一。 質(zhì)子在加速器的四個(gè)交叉點(diǎn)碰撞，科學(xué)家在這些交叉設(shè)置了六個(gè)探測器，這些探測器是用來記錄和測量粒子碰撞后的結(jié)果的。物理發(fā)現(xiàn)將在這些探測器上做出。其中比較顯著的是四個(gè)探測器，名稱分別為ATLAS(雖然是一些英文詞的縮寫，卻與希臘神話中的大力神巨人同名，他用雙肩將天扛起)，CMS，ALICE，LHCb。 期待什么 LHC的主要目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)希格斯粒子，這是標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一個(gè)還沒有被發(fā)現(xiàn)的粒子，卻是最重要的一個(gè)。這是因?yàn)椋瑯?biāo)準(zhǔn)模型中的所有粒子開始時(shí)都沒有質(zhì)量，希格斯粒子就像上帝的使者，它的存在改變真空，而其他粒子通過與希格斯的關(guān)聯(lián)獲得質(zhì)量。所以，為了最后驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型，希格斯粒子是否存在至關(guān)重要。 另外，希格斯粒子也是最有可能與我們還沒有發(fā)現(xiàn)的新物理規(guī)律相關(guān)聯(lián)的。例如，也許存在超對稱，超對稱的存在預(yù)言至少有兩個(gè)希格斯粒子。很多理論家還期待LHC將發(fā)現(xiàn)三維空間之外的額外維、超弦理論的跡象以及暗物質(zhì)的跡象。四個(gè)探測器的主要科學(xué)目的不同。ATLAS用來尋找新物理規(guī)律以及希格斯粒子和粒子的質(zhì)量起源；CMS也是用來尋找希格斯粒子的，同時(shí)尋找暗物質(zhì)的跡象；ALICE主要的科學(xué)標(biāo)目是研究夸克-膠子等離子體(后面我們要側(cè)重談到)；LHCb的主要目標(biāo)是研究為什么我們宇宙中存在物質(zhì)與反物質(zhì)的不對稱。
在LHC鉛離子對撞實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)了新的物質(zhì)狀態(tài)，即夸克-膠子等離子體 我本人期待LHC將給我們帶來意想不到的收獲，而不是像理論家們期待的那樣看到超對稱甚至超弦理論的跡象。我對LHC是否會發(fā)現(xiàn)額外維以及小黑洞持有極大的懷疑態(tài)度。我覺得額外維和小黑洞的宣傳主要是歐洲核子中心的公關(guān)策略。據(jù)說，LHC的科學(xué)宣傳策劃已經(jīng)被寫進(jìn)媒體教科書。 有些理論家，成天制造不同的理論，希望制定出一份周詳?shù)牟藛危徽揕HC發(fā)現(xiàn)什么，都在他的菜單上。這些菜單的制造，基本建立在一個(gè)或兩個(gè)假想的問題上，而不是實(shí)驗(yàn)的啟示。我覺得愛因斯坦的話值得銘記：“上帝是微妙的，但他不懷惡意。”什么意思呢？就是上帝大概不會被你無緣無故地猜中，但最終他還是愿意告訴你他自己的計(jì)劃。 第一年 從2008年到今天，全球關(guān)心所謂宇宙秘密的人，總是被LHC的新聞所吸引。2008年9月10日，LHC第一次啟動，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，9月19日因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)的故障53個(gè)磁鐵損壞了，LHC被迫關(guān)閉。修復(fù)是一個(gè)漫長的過程，因?yàn)檫�涉及到整個(gè)系統(tǒng)的檢查、清理和調(diào)試。經(jīng)過一年多的辛苦工作，終于在2009年11月21日重新啟動。11月24日，LHC的四個(gè)探測器都檢測到相反運(yùn)動的兩個(gè)粒子束的碰撞，這些粒子束含的是質(zhì)子，每個(gè)質(zhì)子的能量達(dá)到450京電子伏(1京=10億)。這個(gè)能量當(dāng)然還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)的七千京電子伏。到了11月30日，一個(gè)紀(jì)錄產(chǎn)生了，被加速后的每個(gè)質(zhì)子的能量達(dá)到1180京電子伏，超過了過去的紀(jì)錄980京電子伏(美國國立費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的紀(jì)錄)。 我過去寫過，按照最樂觀的期望，LHC運(yùn)行的第一年，也就是2010年，不要指望LHC能帶給我們?nèi)魏渭尤诵牡南ⅰ，F(xiàn)在，2010年過去了，雖然LHC一直平穩(wěn)而有效地工作著，的確沒有給我們帶來新物理發(fā)現(xiàn)。但有一些正常與有些出乎意料的發(fā)現(xiàn)還是值得書寫的。 首先，LHC還沒有達(dá)到預(yù)計(jì)的最大能量。現(xiàn)在每個(gè)質(zhì)子的最高能量是3.5T電子伏，是設(shè)計(jì)能量的一半，這個(gè)能量是2010年3月份達(dá)到的，在接下來的時(shí)間中，加速器主要是增加質(zhì)子束的亮度——即每束粒子含有的粒子個(gè)數(shù)，個(gè)數(shù)越多，碰撞的機(jī)會才越大，才越有可能看到新物理。ATLAS的科學(xué)家們很快就看到了標(biāo)準(zhǔn)模型中的中間玻色子，但并沒有看到任何不同尋常的新物理現(xiàn)象。 重要新聞 到了去年9月份，第一個(gè)重要新聞發(fā)布了。在經(jīng)過大約半年的粒子碰撞后，CMS探測器收集到足夠的數(shù)據(jù)看到了一些非常有趣的現(xiàn)象。他們似乎看到了夸克-膠子等離子體。這是位于美國的布魯克海文實(shí)驗(yàn)室叫做RHIC加速器在比較低的能量上已經(jīng)看到的。由于LHC的能量更高，如果夸克-膠子等離子體在高能量段還具備完美的液體性質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)和理論上都是令人興奮的進(jìn)展。 那么，什么是夸克-膠子等離子體？科學(xué)家們?yōu)槭裁匆驗(yàn)榭吹竭@種等離子體而興奮？他們甚至說，他們實(shí)現(xiàn)了可與宇宙大爆炸相比的“小爆炸”，這種小爆炸又是什么意思？ 我們知道，通常我們看到的物質(zhì)的主要成分是原子核，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。再下一層結(jié)構(gòu)是夸克，質(zhì)子和中子都是由夸克構(gòu)成的，每個(gè)質(zhì)子或中子含有三個(gè)夸克。當(dāng)然，三個(gè)夸克的說法是在尋常的能量上。如果我們試圖看到更多的細(xì)節(jié)，我們會看到膠子，這些膠子是將夸克強(qiáng)力地約束在一起的粒子，起了類似“不干膠”的作用，當(dāng)然其力度比起不干膠可要強(qiáng)多了。 色漿·小爆炸 其實(shí)，當(dāng)我們用能量轟擊質(zhì)子或原子核時(shí)，由于能量多的原因，在通常的夸克和膠子外，我們還會看到夸克和反夸克成對地產(chǎn)生。如果原子核的能量足夠大，在轟擊的過程中，將會有很多夸克和膠子出現(xiàn)。 這個(gè)時(shí)候，僅僅看單個(gè)粒子就不合適了，我們需要用氣體或液體的概念來描述這些存在極為短暫的新物態(tài)。由于新物態(tài)是夸克與膠子構(gòu)成的，所以叫夸克-膠子等離子體。夸克和膠子之間的相互作用是由色荷決定的(就像電子與電子之間的相互作用由電荷決定的類似)，我過去曾開玩笑地建議將新物態(tài)命名為色漿——因?yàn)樵谂_灣，普通等離子體叫做電漿。 夸克-膠子之間的相互作用非常強(qiáng)，即使在極高能，也不能忽略它們之間的力。但理論家們分為兩派，一派認(rèn)為色漿是氣體，至少在較高的能量上，色漿的表現(xiàn)像氣體。另一派則認(rèn)為色漿是液體，而且還不是普通液體，是粘滯性很低的液體。氣體和液體的粘滯性與粒子之間的力大小有關(guān)，力越大，粘滯越小，如果粘滯為零，我們叫這種液體為完美液體。 在宇宙大爆炸發(fā)生后不久，宇宙就是一種液體，由正負(fù)電子、夸克與膠子以及其他粒子組成。所以，研究夸克與膠子等離子體的性質(zhì)就與大爆炸有關(guān)了。在加速器上，由于實(shí)現(xiàn)的空間與時(shí)間相對小和短，人們就將這種事件稱為“小爆炸”。 研究色漿的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是RHIC。RHIC是Relativistic Heavy Ion Colider的縮寫，在位于美國長島的布魯克海文實(shí)驗(yàn)室。我印象中這個(gè)實(shí)驗(yàn)早在上世紀(jì)90年代初就計(jì)劃了，那時(shí)弦論陷入一個(gè)周期性的黑暗中，我為了未來開始研究一點(diǎn)夸克和膠子的色動力學(xué)。那時(shí)我在明尼蘇達(dá)大學(xué)參加了一個(gè)會議，會上有名的理論物理學(xué)家Bjorken就大肆宣傳RHIC的實(shí)驗(yàn)。RHIC總共花了多少錢？到2005年一共花了11億美元。 去年9月份CMS在質(zhì)子碰撞中看到色漿的跡象。LHC在去年11月份開始加速鉛原子核，使得每個(gè)核子(即原子核中含有的質(zhì)子和中子)能的平均能量達(dá)到1.38T電子伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于RHIC實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)在去年12月6日結(jié)束。在不到一個(gè)月的實(shí)驗(yàn)中，幾個(gè)探測器都看到了色漿，而且與那些懷疑論者所持的想法相反，色漿在高溫下依然是粘滯很小的完美液體，并且，噴注淬滅效應(yīng)更加明顯了。ALICE探測器與ATLAS探測器發(fā)表在《物理評論通訊》12月13日那一期上的兩篇論文是LHC運(yùn)行了一年的最好總結(jié)。 總之，大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)的第一年運(yùn)行非常平穩(wěn)，雖然因?yàn)闀r(shí)間和亮度的關(guān)系，還沒有發(fā)現(xiàn)希格斯粒子與新物理(超對稱也好，小黑洞也好，額外維也好)，但很好地驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)模型，以及實(shí)現(xiàn)了“小爆炸”，證實(shí)了色漿是一種完美液體，這對研究早期宇宙很有幫助。 |
