離子對撞機追尋質量的起源 揭秘歐洲大型強子對撞機

地球上最大的“粒子粉碎機”一路走來可謂多災多難，又遇到了麻煩。兩位美國公民日前對歐洲大型強子對撞機（LHC）計劃提出了訴訟，要求推遲這一“粒子粉碎機”開動的時間。他們聲稱，LHC可能產生危險的粒子或者微型黑洞，從而毀滅整個地球。

建造在瑞士歐洲粒子物理中心（CERN）的LHC眼看就要完工了，科學家希望它能開始運行。然而，3月21日，居住在夏威夷的Luis Sancho和Walter Wagner針對CERN和美國一些科研機構，向美國聯(lián)邦地方法院提出了訴訟，要求在安全性得到證實之前，不啟動LHC對撞計劃。他們點名的美國科研機構包括能源部、國家自然科學基金會和芝加哥附近的費米實驗室。

美國能源部和費米實驗室不會對此發(fā)表評論，它們堅持認為這是一項應由司法部處理的法律案件。而CERN的一位發(fā)言人James Gillies則表示，這項訴訟要求是“徹底的胡說”?！癓HC創(chuàng)造出各種關于宇宙的激動人心的新物理學認識。”他補充道，“從開始一年之后，世界還在那里。”

LHC將把質子加速到具有巨大的能量并進行對撞“粉碎”，從而模擬大爆炸后不足十億分之一秒的情況。物理學家希望借此來解開長期以來的重大和基本難題，比如粒子為何存在質量（即驗證希波斯粒子 即上帝粒子）、空間是否隱藏著額外的維度等等。

然而，Sancho和Wagner的訴訟提出了一些理論假想――LHC可能制造出吞沒地球粒子，比如“殺手奇異子”（一種包含非通?？淇说募傧肓Ｗ游镔|）。如果一種奇異子十分穩(wěn)定并且?guī)в胸撾?，那它們就有可能“吃”普通物質的核子，并將其轉變?yōu)槠婀值奈镔|。最終，一系列危險的連鎖反應會毀滅整個地球和每一個人。

實際上，2003年關于LHC安全性的評審報告就認為，“它沒有導致任何可能的威脅出現(xiàn)的基礎”。盡管該報告承認，該加速器有微小幾率能創(chuàng)造出短暫的迷你黑洞或者磁單極子，從而破壞普通原子的質子，但它得出結論認為，任何一種假想的情況都不會導致災難。而一個更新版本的安全評估報告很快也會發(fā)布，此外，物理學家還打算在4月6日CERN的一個招待會上討論安全性問題。事實上，在美國Brookhaven國家實驗室當年興建“相對論重離子對撞機”（RHIC）時，Wagner就提出過類似的利害關系。Gillies說：“RHIC于2000年就開始運行了，我們還不是好好的?！贝送猓a充道，比LHC高得多的能量碰撞在自然界也頻繁發(fā)生，宇宙射線粒子能以接近光速穿過銀河系周圍。月球已經經歷了50億年的這種碰撞影響，也沒有被哪個貪婪的黑洞或者殺手奇異子毀滅。

然而，Sancho和Wagner認為，CERN的安全性評審“馬馬虎虎”，低估了潛在風險，而且上述的宇宙射線辯解也是誤導性的。他們在訴訟文件中稱：“被告不經意間將創(chuàng)造出一種危險的物質形式……或者不安全的物理學環(huán)境狀態(tài)，這種影響在范圍上可能同是局部和國家層面的，并且波及每一個人。這是毫無疑問的。”

大型強子對撞機磁體高16米，長、寬均有10多米，重達1920噸。工程技術人員專門建造了一個巨型吊架，用4根粗鋼纜吊住這個磁體，借助液壓頂泵將磁體緩慢放入隧道。它長達27公里的環(huán)形隧道可被用來加速粒子，使其相撞，創(chuàng)造出與宇宙大爆炸萬億分之一秒時類似的狀態(tài)。在高能物理實驗中，粒子加速器和探測器是常用設備。探測器用來探測碰撞產生的微小粒子，記錄粒子能量、質量等信息。強子對撞機上共有4個對撞點，各裝有一個探測器，其中一個為CMS(緊湊型μ介子螺線管)探測器。

自從1980年“大型強子對撞機”的構想首度出現(xiàn)以來，歷經近30年，這一“世界上最大的機器”終于從夢想成為現(xiàn)實，即將于9月開始投入運行?，F(xiàn)擷取一些有關它的數(shù)據(jù)“之最”，記錄如下：

離子對撞機世界上最大的機器

“大型強子對撞機”不僅是世界上最大的粒子加速器，而且也是世界上最大的機器。它位于瑞士、法國邊境地區(qū)的地下100米深的環(huán)形隧道中，隧道全長26.659公里。

離子對撞機地球上最快的“軌道”

如果“開足馬力”，數(shù)以百萬計的粒子將在環(huán)形隧道內以每秒11245圈的速度“狂飆”，約等于光速的99.99%。

離子對撞機太陽系中最“空曠”的地方

為避免粒子流與氣體分子發(fā)生碰撞，粒子流都在超高真空的“通道”內運行，其間如同星際空間一樣“空曠”，氣壓僅為10的負13次方個標準大氣壓，比月球上的大氣壓還小10倍。

離子對撞機最熱與最冷的機器

大型強子對撞機是個既極端熱又極端冷的機器。當兩束粒子流對撞的時候，碰撞點將產生極端高溫，可以達到太陽中心溫度的10萬倍。而與之形成鮮明對比的是，由于采用了超流體氦冷卻等手段，對撞機中粒子運行的加速腔在工作時的溫度僅為零下271.3攝氏度（1.9開），比遙遠的太空還要冷。

離子對撞機全球最強大的超級計算機系統(tǒng)

大型強子對撞機上進行的每一個大型試驗一年所獲得的數(shù)據(jù)，可以刻滿十萬張雙層DVD。為了對這些數(shù)據(jù)進行分析，世界各地成千上萬名科學家都參與進來，他們所使用的數(shù)萬臺甚至數(shù)十萬臺計算機借助分布式計算網絡（網格計算）聯(lián)合在一起，這也構成了全球最強大的超級計算機系統(tǒng)。

人們早已發(fā)現(xiàn)，自然界中物體之間千差萬別的相互作用，可以簡單劃分為4種力：即引力、電磁力、維持原子核的強作用力和產生放射衰變的弱作用力。在愛因斯坦的相對論解決了重力問題后，人們開始嘗試建立一個統(tǒng)一的模型，以期解釋通過后3種力相互作用的所有粒子。

經過長期研究和探索，科學家們建立起被稱為“標準模型”的粒子物理學理論，它把基本粒子（構成物質的亞原子結構）分成3大類：夸克、輕子與玻色子?！皹藴誓Ｐ汀钡某霈F(xiàn)，使得各種粒子如萬鳥歸林般擁有了一個共同的“家園”。但是這一“家園”有個致命缺陷，那就是該模型無法解釋物質質量的來源。

為了修補上述理論大廈的缺陷，英國科學家彼得"_blank" href="/item/希格斯玻色子/2190719" data-lemmaid="2190719">希格斯玻色子的存在。假設出的希格斯玻色子是物質的質量之源，是電子和夸克等形成質量的基礎。其他粒子在希格斯玻色子構成的“海洋”中游弋，受其作用而產生慣性，最終才有了質量。爾后所有的粒子在除引力外的另3種力的框架中相互作用，統(tǒng)一于“標準模型”之下，構筑成大千世界。

“標準模型”預言了62種基本粒子的存在，這些粒子基本都已被實驗所證實，而希格斯玻色子是最后一種未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子。因此，尋找該粒子，被比喻為尋找粒子物理學領域的“圣杯”。

歐洲大型強子對撞機（LargeHadronCollider，簡稱LHC）被稱為世界規(guī)模最龐大的科學工程，它將利用高速粒子束相撞產生的巨大能量，重建“大爆炸”發(fā)生后的宇宙形態(tài)。然而這個“巨無霸”在距離啟動只有幾天的時候依然官司纏身。歐洲和美國的反對人士分別向當?shù)胤ㄔ禾岢銎鹪V，要求叫?；蛲七t這個項目，他們的理由是，LHC能產生危險的粒子或者微型黑洞，從而毀滅整個地球。

19號中午，歐洲核子研究中心大型強子對撞機發(fā)生隧道內嚴重氦泄漏事故。泄漏原因不詳，歐洲核子研究中心計劃在周末對事故進行調查。2100433B

1、電子－正電子對撞機又稱正負電子對撞機，由于正負電子的電荷相反，所以這種對撞機只要建立一個環(huán)就可以了。相應的造價就比較低，世界上已建成的對撞機大部分是屬于這一類的。

但是，由于電子回旋時引起的同步輻射損失，使這種對撞機能量的進一步提高發(fā)生了困難，因為同步輻射功率與電子的能量二次方成正比，且與回旋半徑的平方成反比，為了減少輻射損失，一般高能量的電子對撞機均采用大半徑方案，即采用只有幾千高斯的低磁場來控制電子的運動，即使如此，電子對撞機的最高能量仍然受到很大的限制，例如,10GeV的電子在曲率半徑為100m的對撞機中運動時,每圈的輻射損失約為10MeV，如果對撞機中的回旋電流為1A，要補償這束電子流的輻射損失，就需要平均功率為10MW的高頻功率。假如正電子流也為1A，則總的平均功率為20MW，由此可見，對撞機中高加速頻系統(tǒng)的功率絕大部分是用來補償這一同步輻射損失的。

輻射特性雖然給電子能量的進一步提高帶來了困難，但也有一定的好處，這是因為電子或正電子注入對撞機后，由于電子的輻射損失，使電子截面受到強烈的壓縮，電子很快集中到一個很小的區(qū)域中，其余的空間可以用來容納再一次注入的電子，這樣使積累過程簡化，而且允許采用較低能量的注入器，通常采用直線加速器，也有采用電子同步加速器的。

這種對撞機中所需的正電子是由能量為幾十兆電子伏以上的電子打靶后產生的，為了得到盡可能強的正電子束，往往需要建造一臺低能量的強流電子直線加速器。另外產生出來的正電子束尚需再度注入到注入器中，與電子一起加速到必要的能量，再注入到對撞機中去。由于正電子束的強度只及電子束的千分之一到萬分之一，所以需要幾分甚至幾十分鐘的積累，才能達到足夠的強度。

2、質子－質子對撞機這種對撞機需要建造兩個環(huán),分別儲存兩束相反方向回旋的質子束，才能實行質子與質子的對撞。由于質子作回旋運動時，其同步輻射要比電子小得多，在質子達到的能量范圍內，可以略去不計，因此為縮小這類對撞機的規(guī)模,盡量采用強磁場,這就需要采用超導磁體。另外，質子束的積累也不如電子對撞機那樣方便，它必須依靠動量空間的積累來實現(xiàn)。為此，必須首先在高能同步加速器中，將質子加速到高能（一般為幾十吉電子伏），依靠絕熱壓縮，將質子束的動量散度壓縮上百倍，再注入到對撞機中去進行積累，質子對撞機中的高頻加速系統(tǒng)主要是用來進行動量空間的積累及積累完畢后的進一步加速，因此所需要的高頻功率也比電子對撞機小得多。由于上述原因，質子－質子對撞機的規(guī)模要比電子－正電子對撞機大，投資也較高。

3、質子－反質子對撞機質子與反質子的質量相同，電荷相反，也只需要造一個環(huán)就能進行對撞。這種對撞機發(fā)展得較晚，主要原因在于由高能質子束打靶產生的反質子束強度既弱，性能又差，無法積累到足夠的強度與質子對撞。70年代后期，“冷卻”技術的成功，給予這種對撞機巨大的生命力(見加速器技術和原理的發(fā)展)。

粒子對撞機是在高能同步加速器基礎上發(fā)展起來的一種裝置，其主要作用是積累并加速相繼由前級加速器注入的兩束粒子流，到一定束流強度及一定能量時使其在相向運動狀態(tài)下進行對撞，以產生足夠高的相互作用反應率，便于測量。

測量粒子對撞的譜儀儀器，是對撞機的傳感感應器，是量子粒子物理的最前沿科學。因為，粒子對撞也是一種‘機制’，也是存在著的‘天然自然粒子對撞機制’，量子粒子高能物理-凝聚態(tài)物理-天體粒子物理探索其中 。

歐洲核子中心

建成的質子對撞機如歐洲核子中心代號ISR的交叉儲存環(huán)，其能量為2×31GeV，它于1971年已投入運行。由于電子冷卻及隨機冷卻技術（見加速器技術和原理的發(fā)展）的成功,使反質子束的性能大大得到改善,而且束流可以積累到足夠的強度，從而有可能在同一環(huán)中進行質子－反質子對撞。

為了增加對撞的幾率（即提高對撞機的亮度），歐洲核子中心于1981年將一臺能量為400GeV的質子同步加速器（即SPS）改建成質子－反質子對撞機，并于1983年取得了極其重要的實驗成果，發(fā)現(xiàn)了W±、Z0粒子 。

70年代初期

70年代初期,出現(xiàn)了在對撞區(qū)中插入一種特殊的稱為低包絡插入節(jié)的聚焦結構，使束流在對撞點的橫截面受到強烈的壓縮，從而使對撞點的束流密度大大增加。

由于采用了這種結構，使70年代建造的對撞機的亮度比以前提高了一兩個數(shù)量級。另外，為了盡可能的延長束流的壽命，對撞機環(huán)內的真空度平均不得低于10-8～10-9Torr,尤其是在對撞區(qū)附近。為了減少物理實驗的本底，即為了保證使束流與束流發(fā)生對撞的幾率大大超過束流與殘余氣體相撞的幾率，真空度應維持在10-10～10-11Torr左右。所以大體積高真空這一技術也隨著對撞機的發(fā)展而發(fā)展起來了。對撞機的類型電子－正電子對撞機又稱正負電子對撞機，由于正負電子的電荷相反，所以這種對撞機只要建立一個環(huán)就可以了。相應的造價就比較低，世界上已建成的對撞機大部分是屬于這一類的 。

同步輻射損失

但是，由于電子回旋時引起的同步輻射損失，使這種對撞機能量的進一步提高發(fā)生了困難，因為同步輻射功率與電子的能量二次方成正比，且與回旋半徑的平方成反比，為了減少輻射損失，一般高能量的電子對撞機均采用大半徑方案，即采用只有幾千高斯的低磁場來控制電子的運動，即使如此，電子對撞機的最高能量仍然受到很大的限制，例如,10GeV的電子在曲率半徑為100m的對撞機中運動時,每圈的輻射損失約為10MeV，如果對撞機中的回旋電流為1A，要補償這束電子流的輻射損失，就需要平均功率為10MW的高頻功率。

假如正電子流也為1A，則總的平均功率為20MW，由此可見，對撞機中高加速頻系統(tǒng)的功率絕大部分是用來補償這一同步輻射損失的。輻射特性雖然給電子能量的進一步提高帶來了困難，但也有一定的好處，這是因為電子或正電子注入對撞機后，由于電子的輻射損失，使電子截面受到強烈的壓縮，電子很快集中到一個很小的區(qū)域中，其余的空間可以用來容納再一次注入的電子，這樣使積累過程簡化，而且允許采用較低能量的注入器，通常采用直線加速器，也有采用電子同步加速器的。這種對撞機中所需的正電子是由能量為幾十兆電子伏以上的電子打靶后產生的，為了得到盡可能強的正電子束，往往需要建造一臺低能量的強流電子直線加速器。另外產生出來的正電子束尚需再度注入到注入器中，與電子一起加速到必要的能量，再注入到對撞機中去。由于正電子束的強度只及電子束的千分之一到萬分之一，所以需要幾分甚至幾十分鐘的積累，才能達到足夠的強度。

質子-質子對撞機這種對撞機需要建造兩個環(huán),分別儲存兩束相反方向回旋的質子束，才能實行質子與質子的對撞。由于質子作回旋運動時，其同步輻射要比電子小得多，在質子達到的能量范圍內，可以略去不計，因此為縮小這類對撞機的規(guī)模,盡量采用強磁場,這就需要采用超導磁體。另外，質子束的積累也不如電子對撞機那樣方便，它必須依靠動量空間的積累來實現(xiàn)。為此，必須首先在高能同步加速器中，將質子加速到高能（一般為幾十吉電子伏），依靠絕熱壓縮，將質子束的動量散度壓縮上百倍，再注入到對撞機中去進行積累，質子對撞機中的高頻加速系統(tǒng)主要是用來進行動量空間的積累及積累完畢后的進一步加速，因此所需要的高頻功率也比電子對撞機小得多。

由于上述原因，質子－質子對撞機的規(guī)模要比電子－正電子對撞機大，投資也較高。質子－反質子對撞機質子與反質子的質量相同，電荷相反，也只需要造一個環(huán)就能進行對撞。這種對撞機發(fā)展得較晚，主要原因在于由高能質子束打靶產生的反質子束強度既弱，性能又差，無法積累到足夠的強度與質子對撞 。

“冷卻”技術的成功

70年代后期，“冷卻”技術的成功，給予這種對撞機巨大的生命力(見加速器技術和原理的發(fā)展)。由于冷卻技術的成功，使得現(xiàn)有的高能質子同步加速器，只要它的磁鐵性能及真空度夠好的話，均有可能可以改成質子－反質子對撞機。

今后再建的超高能質子同步加速器，均考慮了同時進行質子－反質子對撞的可能，由此可見，這一技術成功的意義是何等重要。實現(xiàn)質子－反質子對撞雖然比質子－質子對撞能節(jié)省一個大環(huán)，但也有一定的弱點，主要是由于盡管經過冷卻及積累,反質子的強度仍然比質子的低得多,這樣使得質子－反質子對撞機的亮度比質子－質子對撞機低得多，前者最大為1029～1030cm-2·s-1,后者則為1032cm-2·s-1。電子－質子對撞機這種對撞機的主要困難在于電子束的橫截面很小，線度約為幾分之一毫米，而質子的橫截面較大,線度約為一厘米左右。前者束流較密集,后者較疏松，兩者相撞時作用幾率很小 。

現(xiàn)階段的研究

正在研究中，實現(xiàn)這種對撞需建立兩個環(huán)，一個是低磁場的常規(guī)磁鐵環(huán),以儲存及加速電子；另一個是高場的超導磁體環(huán),以儲存并加速質子，兩個環(huán)的半徑相同并放在同一隧道中，所以電子的能量通常是幾十吉電子伏，質子的能量為幾百吉電子伏。

隨著加速器技術的提高,為了節(jié)約投資,新建的巨型加速器，往往在一個隧道中建造三個環(huán)，以便可能進行多種粒子對撞，例如質子-質子、質子－反質子，電子－正電子、質子－電子對撞。電子直線對撞機為避免電子作回旋運動時同步輻射損失引起的困難。

早在1965年已有人指出，在電子能量高于上百吉電子伏時，應采用直線型來進行對撞，就是說，應采用兩臺電子直線加速器加速兩股運動方向相反的電子束（或正負電子束）待達到預定能量后，兩股電子束被引出并在某點相碰。碰撞一次后的電子束即被遺棄，不再重復利用。當然，只有當這些被遺棄的電子束單位時間所帶走的能量小于環(huán)形對撞機中同步輻射的損失功率，這種方案才會被考慮。另外，由于電子直線加速功率的限制，每秒能提供的電子束脈沖數(shù)是有限的，所以單位時間內發(fā)生的碰撞次數(shù)也比環(huán)形對撞機少得多，為了保證直線對撞機與環(huán)形對撞機有相同的亮度，要求在碰撞點的橫截面進一步壓縮，約比環(huán)形對撞機中的碰撞截面小幾十到幾百倍，十多年來技術上的進展，使這種對撞機受到重視，有關的各種問題正在解決中。