大型強子對撞機的“容器”投入使用，意味著人類歷史上規(guī)模最大的一次物理試驗正式開始

在歐洲正式啟動的大型強子對撞機，或?qū)⒛軌蛱钛a完美描述宇宙力量之源的最后一塊“拼圖”

幾乎全世界的物理學(xué)家都在等待的一刻，終于到了。

北京時間9月10日15時30分，在位于法國與瑞士邊界的侏羅（Jura）山百米深處，一束質(zhì)子被正式注入一個周長達27公里的巨大環(huán)形“容器”中，第一次完成了圍繞整個環(huán)路的運行。

這標(biāo)志著，這個名為大型強子對撞機（The Large Hadron Collider，LHC）的“容器”正式投入使用。人類歷史上規(guī)模最大的一次物理試驗正式開始。負(fù)責(zé)運營這一設(shè)備的歐洲核子中心（CERN），以及來自80多個國家和地區(qū)的2000多名科學(xué)家，已經(jīng)耗費了14年的時間和大約400億元人民幣。

LHC的新聞發(fā)言人詹姆斯吉利斯（James Gillies）在接受《財經(jīng)》記者采訪時稱，人類歷史上還從來沒有建造過如此大規(guī)模的儀器。而其中所用到的很多技術(shù)，在20年前甚至根本不存在。

在這些難以計算的付出背后，科學(xué)家們所期待的可能“獎賞”也將是十分豐厚的，那就是人類有望第一次捕捉到“上帝粒子”的蛛絲馬跡，從而補上完美描述宇宙力量之源的最后一塊“拼圖”。

“審判”標(biāo)準(zhǔn)模型

我們身邊的世界萬物，是由什么構(gòu)成的？又是如何構(gòu)成的？這個問題是人類文明面對的終極問題之一。

到了上世紀(jì)50年代，隨著現(xiàn)代物理學(xué)的進展，人們已經(jīng)認(rèn)識到，原子構(gòu)成萬物。原子內(nèi)部又可以細(xì)分為原子核和電子，而原子核又可以細(xì)分為質(zhì)子和中子等基本粒子。這些粒子之所以能組成更為宏觀的物質(zhì)，則有賴于電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用以及引力作用這四種基本的“力量之源”。

但是，有沒有可能通過一種模型，把這些不同的基本力、組成所有物質(zhì)的基本粒子的所有物理現(xiàn)象統(tǒng)一起來，以便呈現(xiàn)給人們一個更加簡單、和諧的畫面？上世紀(jì)60年代，美國科學(xué)家溫伯格（Steven Weinberg）等人建立的“標(biāo)準(zhǔn)模型”（standard model），就朝著這個方向邁出了重要一步。

作為20世紀(jì)物理學(xué)的最重要成就之一，標(biāo)準(zhǔn)模型成功地將自然界四大作用力中除了引力的電磁、弱、強相互作用統(tǒng)一起來，并預(yù)言存在61種基本粒子。到了1995年，隨著美國費米實驗室宣布頂夸克被發(fā)現(xiàn)，這一模型所預(yù)言的61種基本粒子中，已經(jīng)有60種成功地得到了實驗數(shù)據(jù)的支持和驗證。

現(xiàn)在，只要人們找到最后一種粒子——希格斯（Higgs）粒子，構(gòu)建在標(biāo)準(zhǔn)模型之上的大廈就將完美無缺了。

實際上，希格斯粒子之所以被稱為“上帝粒子”（God particle），除了它是這個“拼圖”中殘缺的最后一塊，還因為這種粒子對于整個標(biāo)準(zhǔn)模型都起著基石的作用。

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，所有基本粒子都可以分為費米子和玻色子兩類。其中，費米子組成物質(zhì)，玻色子則負(fù)責(zé)傳遞費米子之間的各種作用力。至今神龍見首不見尾的希格斯粒子，就屬于玻色子“家族”。

對于標(biāo)準(zhǔn)模型而言，它所遇到的惟一真正具有挑戰(zhàn)性的問題，是質(zhì)量起源的問題。它無法解釋，在大爆炸瞬間原本只有能量沒有質(zhì)量的宇宙，是如何產(chǎn)生有質(zhì)量的費米子和玻色子，并進而演化出無數(shù)星系乃至世間萬物的。

正是為了解決這個難題，1964年，英國物理學(xué)家希格斯（P. W. Higgs）提出了“希格斯機制”（Higgs mechanism）。在這種機制中，各種粒子通過與希格斯場相互作用而獲得質(zhì)量，與希格斯場相互作用強的質(zhì)量就大；反之，質(zhì)量就小。而希格斯粒子則是希格斯場的場量子化激發(fā)的產(chǎn)物，它可以通過自相互作用而獲得質(zhì)量。

有人曾做過一個絕妙比喻，各種粒子通過希格斯場的過程，就像讓一把勺子穿過厚厚的蜂蜜。不同材料做成的勺子，往往上面“沾”上的蜂蜜不同，即被賦予的質(zhì)量也不同。

所以，希格斯粒子是否存在的答案，可能是完成粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，實現(xiàn)其完美統(tǒng)一的最后一塊“拼圖”，也可能是摧毀整個標(biāo)準(zhǔn)模型，迫使其做出修改的“最后一根稻草”。換句話說，這是一種對整個標(biāo)準(zhǔn)模型頗具“審判”意味的粒子。

中國科學(xué)院高能物理所研究員陳國明在接受《財經(jīng)》記者采訪時就表示，如果希格斯粒子存在，標(biāo)準(zhǔn)模型就可以解釋已知的相互作用和粒子的性質(zhì)；但假如它不存在，幾乎注定會在科學(xué)界引起一次地震，“科學(xué)革命就要來臨了”。

從加速到對撞

對撞機的主要原理，是積累并加速相繼由加速器注入的兩束粒子流，到一定強度和能量時使其迎頭對撞。與利用高能粒子轟擊靜止靶相比，利用相向運動的高能粒子束進行對撞，粒子間相互作用的效率更高。所以，近20年來，對撞機成為人類探索粒子世界最主要的手段。

目前的對撞機類型，包括正負(fù)電子對撞機、電子直線對撞機、電子－質(zhì)子對撞機、質(zhì)子－反質(zhì)子對撞機和質(zhì)子－質(zhì)子對撞機。

1961年，造價相對較低、技術(shù)也相對簡單的正負(fù)電子對撞機首先投入運行。位于北京西郊的中科院高能物理研究所內(nèi)的北京正負(fù)電子對撞機（BEPC），雖然只是一臺中小型的對撞機，但自1990年正式運行以來，仍然幫助中國取得了一批在國際高能物理界有影響的研究成果。

不過，電子畢竟質(zhì)量有限，對撞能量和強度自然也有所限制，因此，早在1984年，正在籌建大型正負(fù)電子對撞機（Large Electron-Positron Collider，LEP）的CERN，就已經(jīng)開始討論以后如何利用LEP那27公里長的巨大環(huán)路來建造更強大的設(shè)備。

因為對撞能量和強度越高，對撞產(chǎn)生新的粒子和新的現(xiàn)象的可能越大，所以，他們決定采用質(zhì)量相當(dāng)于電子1836倍的質(zhì)子進行對撞，并將這一計劃命名為大型強子對撞機?！皬娮印本褪侵甘艿綇娤嗷プ饔糜绊懙膩喸恿Ｗ?，又分為重子和介子，其中，重子就包括了質(zhì)子、中子和超子等。

1994年12月，CERN委員會最終批準(zhǔn)了這一計劃，并決定用質(zhì)子作為對撞粒子，預(yù)計可實現(xiàn)能量高達14萬億電子伏特（Tev）的質(zhì)子相互碰撞。整個工程總投資當(dāng)時估計約40億美元，由歐盟20個國家和美國、日本、俄羅斯、印度等國共同出資。

不過，由于工程進度的不確定性和材料價格的上漲，LHC工程曾一度陷于停滯，預(yù)算也一再提高。

現(xiàn)在的LHC，由1232塊超導(dǎo)偏轉(zhuǎn)磁鐵、392塊超導(dǎo)四極磁鐵和超過2500塊的其他磁鐵構(gòu)成兩條并列的環(huán)形隧道；兩束相反方向的質(zhì)子束將在其中被電磁場中加速到接近光速，然后進行長達幾小時的反向繞行。在這段時間里，粒子會在LHC中作4億圈繞行，在每一圈，粒子束會在指定的、放有探測器的地點每秒產(chǎn)生6億次相互碰撞。

曙光在望

據(jù)《財經(jīng)》記者了解，中國科學(xué)家分別參與了這四個探測項目的實施，他們來自中科院高能物理所、清華大學(xué)和華中師范大學(xué)。

中國科學(xué)院高能物理所研究員陳國明告訴《財經(jīng)》記者，LHC作為目前世界上能量最高的對撞機，每秒鐘就可以對撞400萬次，平均每次有23對質(zhì)子相撞。由于單個質(zhì)子的能量為7TeV， 這樣對撞總能量為14TeV；這個能量，相當(dāng)于現(xiàn)役最高水平的美國費米實驗室Tevatron的7倍之多。

作為一個直觀的比較，當(dāng)逐步達到最大值后，LHC所產(chǎn)生的每一個粒子束的1000億個質(zhì)子所攜帶的能量，相當(dāng)于一輛400噸重的火車以每小時200公里速度運行時的能量。

“這樣高能的對撞，將把質(zhì)子完全撞碎，相當(dāng)于模擬了宇宙大爆炸起始的狀態(tài)?！彼忉屨f。

正是由于LHC可以產(chǎn)生令人生畏的高能量，今年4月，40多年前預(yù)言了希格斯粒子存在的英國物理學(xué)家希格斯，以78歲高齡參觀LHC時曾對媒體表示：“幾乎可以確定，（LHC正式投入運行后）很快就可以發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。”

早在2000年，CERN的科學(xué)家在LEP上獲得的數(shù)據(jù)就表明，希格斯粒子質(zhì)量很可能為115GeV（1GeV=10億電子伏特）。

今年8月，美國費米實驗室剛剛宣布，他們的萬億電子伏特正負(fù)質(zhì)子對撞機（Tevatron）以95％的準(zhǔn)確率，排除了希格斯粒子質(zhì)量在170GeV以上的可能性。

美國費米實驗室物理學(xué)家科特萊斯曼（Kurt Riesselmann）在接受《財經(jīng)》記者采訪時表示，根據(jù)過去的實驗結(jié)果，希格斯粒子的質(zhì)量大概在115GeV到200GeV之間。

實際上，在兩年前國際科學(xué)界已經(jīng)把希格斯粒子質(zhì)量95％的可能性放在了115GeV到153GeV之間。不過，在清華大學(xué)物理系教授莊鵬飛看來，雖然可能性有95％，但也無法排除希格斯粒子質(zhì)量在這一區(qū)間之外的可能。

原則上說，對撞機產(chǎn)生的碰撞能量越大，所能掃描的希格斯質(zhì)量范圍就更大。鑒于費米實驗室可以探測的質(zhì)量上限已經(jīng)達到了170GeV，這自然更讓科學(xué)家對LHC寄予厚望。

“科學(xué)家們都希望從LHC發(fā)現(xiàn)更多驚喜，由于它的能量是Tevatron的7倍，這就意味著它可以把粒子壓縮到更小的距離上，以更大的精確度研究物質(zhì)、能量、空間和時間的結(jié)構(gòu)?！比R斯曼補充說。

當(dāng)然，由于即便LHC現(xiàn)在啟動，得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)往往也要在兩年之后，所以，費米實驗室也已經(jīng)決定把Tevatron對撞機的運行時間延長到2010年。

“麻煩制造者”

由于LHC還未正式啟動，它能否帶來一場革命仍是一個未知數(shù)，但麻煩卻已經(jīng)悄然而至。

2007年3月，美國學(xué)者沃爾特瓦格納（Walter L. Wagner）和西班牙學(xué)者路易斯桑喬（Luis Sancho）在位于夏威夷的檀香山地方法院，將CERN告上了法庭。

他們認(rèn)為，CERN并未認(rèn)真評估LHC所存在的危險，它的運行可能誕生一種迷你黑洞；而可以吞噬一切的黑洞，這將會吞噬地球。因此，他們提出，在安全性得到嚴(yán)格認(rèn)證之前，LHC不能啟動。

除了迷你黑洞，亦有人擔(dān)心LHC的高能量撞擊，會產(chǎn)生致命的宇宙射線、奇異物質(zhì)（strangelet）、真空泡沫甚至磁單極子，從而對人類文明構(gòu)成威脅。

針對這些擔(dān)心，9月5日，在LHC正式啟動前五天，CERN發(fā)布了針對LHC安全性的迄今為止最完整的報告，指出LHC不過是在實驗室中再現(xiàn)了自然世界經(jīng)常發(fā)生的粒子撞擊。該報告是對2003年首次完成的安全報告的一次補充。

雖然所產(chǎn)能的質(zhì)子束能量巨大，但對于單個質(zhì)子而言，攜帶的能量和一只飛行的蚊子不相上下。因此，根據(jù)愛因斯坦的相對論，LHC所產(chǎn)生的能量，根本不足以制造出所謂的“迷你黑洞”。

即使如一些新理論所預(yù)言的那樣，由于額外的維度空間的存在，產(chǎn)生迷你黑洞的門檻被大大降低了，這也同樣不會對地球構(gòu)成威脅。因為這些迷你黑洞在很短的時間內(nèi)就會完全分解掉，根本來不及對外界物體進行加速，更不用說造成任何可以看到的宏觀影響了。

至于LHC所產(chǎn)生的宇宙射線威脅，報告指出，在地球之外的外層空間中，產(chǎn)生的很多宇宙射線的能量遠超出LHC。地球在過去的億萬年間，相當(dāng)于經(jīng)受了百萬次“天然”的LHC實驗，但結(jié)果是這顆星球安然無恙。實際上，整個宇宙幾乎每秒都在進行著10萬億次LHC實驗，但迄今為止，人們沒有觀測到任何星系或者星星因此受到傷害。

這份報告指出，如果LHC中的粒子碰撞產(chǎn)生的后果會毀滅地球，那么地球根本沒有機會存在，因為如果這樣的撞擊會產(chǎn)生毀滅性的結(jié)果，那么地球或者其他地球這樣的天體早就被毀滅了?！斑@樣的情況早已在地球上發(fā)生成千上萬次了?！?/p>

不過，美國費米實驗室的科特萊斯曼博士告訴《財經(jīng)》記者，即使希格斯粒子能夠被發(fā)現(xiàn)，也并不能解答所有的問題，比如什么是暗物質(zhì)、什么是暗能量、中微子在宇宙演化中起了什么作用等。

正是因為意識到LHC的局限性，國際物理學(xué)界也已經(jīng)計劃采用國際大型直線對撞機（International Linear Collider，ILC）作為新一代的高能物理對撞機，以克服環(huán)形電子對撞機向更高能區(qū)發(fā)展時遇到能量損失問題。

擬議中的直線對撞機是一臺超高能量的正負(fù)電子對撞機，它由兩臺大型超導(dǎo)直線加速器組成，分別將正負(fù)電子加速到250GeV的能量，對撞能量則可達到500GeV，以后還可以提高到1TeV。它將建造在總長約40公里的地下隧道里，預(yù)計最快也要等到2016年前后才能建成。

中國科學(xué)院高能物理所研究員陳國明對《財經(jīng)》記者表示，如果把LHC比喻成“砸開核桃的榔頭”的話，ILC就是個用來分析的“手術(shù)刀”，可以仔細(xì)分核仁的性質(zhì)。

據(jù)透露，這個儀器耗資大概為67億美元，最大的可能是在美國、日本、德國建造。當(dāng)然，它具體的架構(gòu)還要看LHC的結(jié)果，或許至少也要等到20年以后也未可知?！?/p>