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        大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的一次重大維護(hù)升級(jí)

        2022-06-27 09:50:52編譯苦山
        世界科學(xué) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:對(duì)撞對(duì)撞機(jī)強(qiáng)子

        編譯 苦山

        在阿爾卑斯山脈的地下深處,科學(xué)家們幾乎無(wú)法抑制他們的興奮之情。

        他們交頭接耳,談?wù)撝切氐赘淖兾覀儗?duì)于宇宙之認(rèn)識(shí)的發(fā)現(xiàn)。

        “自從成為粒子物理學(xué)家以來(lái),我一直在尋找第五種力,”山姆·哈珀博士(Sam Harper)說(shuō),“也許就是今年了?!?/p>

        在過(guò)去的20年里,山姆一直在試圖尋找第五種自然力存在的證據(jù),此前,物理學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了四種自然力:引力、電磁力和兩種核力。

        他把希望寄托在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的重大維護(hù)升級(jí)上。這是世界上最先進(jìn)的粒子加速器——這臺(tái)巨大的機(jī)器通過(guò)使原子相互撞擊將它們粉碎,以探究它們內(nèi)部有什么。

        經(jīng)過(guò)三年的升級(jí),對(duì)撞機(jī)的功能得到了進(jìn)一步的提升。它的儀器更加靈敏,使得研究人員能夠以更高的分辨率研究來(lái)自原子內(nèi)部的粒子對(duì)撞;它的軟件得到了改進(jìn),令它能夠以每秒3 000萬(wàn)次的速度獲取數(shù)據(jù);它的粒子束更窄,這大大增加了對(duì)撞的次數(shù)。

        這一切意味著,如今正是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)最有可能找到對(duì)科學(xué)界而言全新的亞原子粒子的時(shí)刻。人們希望它能有所發(fā)現(xiàn),引發(fā)一百年以來(lái)最大的物理學(xué)革命。

        研究人員不僅相信他們或許能發(fā)現(xiàn)全新的第五種自然力,還希望找到一種名為暗物質(zhì)的不可見(jiàn)物質(zhì)的存在證據(jù),這種物質(zhì)構(gòu)成了宇宙的大部分。

        這里的研究人員面臨著交付成果的壓力。許多人期望對(duì)撞機(jī)如今已找到了開(kāi)拓物理學(xué)新領(lǐng)域的證據(jù)。

        大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)是歐洲核子研究中心(CERN)的一部分,研究中心位于瑞士和法國(guó)的邊境,就在日內(nèi)瓦郊外。當(dāng)人們走近時(shí),它看上去像是一片不起眼的建筑群——由20世紀(jì)50年代的辦公樓和宿舍組成,綿延散落在一片6.5平方公里的區(qū)域里,其間有修剪整齊的草坪和蜿蜒曲折的道路,這些道路均以著名物理學(xué)家的名字命名。

        但是在地下100米處,它是一座科學(xué)的大教堂。我得以踏進(jìn)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的核心,進(jìn)入其中一臺(tái)巨型探測(cè)器,后者達(dá)成了我們這一代人最重大的發(fā)現(xiàn)之一:希格斯玻色子。如果沒(méi)有這種亞原子粒子,我們所知道的許多其他粒子都不會(huì)擁有質(zhì)量。超環(huán)面儀器長(zhǎng)46米,高25米。它是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)用來(lái)分析由自身制造的粒子的四種儀器之一。

        它由7 000噸金屬、硅、電子器件和線路精密而精確地組裝在一起。它是一件極為美麗的事物。倫敦瑪麗皇后大學(xué)的瑪塞拉·博納博士(Marcella Bona)用“莊嚴(yán)宏偉”一詞形容它。她是使用超環(huán)面儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家之一。

        眼前的景象令我心生敬畏?,斎嬖V我探測(cè)器在對(duì)撞機(jī)停機(jī)的三年期間有了哪些改進(jìn)。

        “就我們實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)檢測(cè)、收集和分析能力而言,將會(huì)提升兩到三倍,”她對(duì)我說(shuō),“整條實(shí)驗(yàn)鏈已經(jīng)升級(jí)?!?/p>

        地下100米處的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)內(nèi)部:我被帶領(lǐng)參觀一座“宏偉的科學(xué)大教堂”

        超環(huán)面儀器由7 000噸金屬、硅、電子器件和線路精密而精確地組裝在一起。如今的它比以往任何時(shí)候都更加強(qiáng)大

        對(duì)撞會(huì)產(chǎn)生向不同方向飛去的更小粒子。移動(dòng)痕跡能告訴科學(xué)家它是什么類型的粒子

        大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的磁鐵組裝區(qū)。它們已經(jīng)經(jīng)過(guò)了改進(jìn),能使粒子束更窄,從而增加對(duì)撞的次數(shù)

        大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的設(shè)備更加靈敏,如今將提供高分辨率的對(duì)撞可視化圖像,從而能夠更好地探測(cè)新粒子

        置身于工程師們?yōu)槌h(huán)面儀器的翻新收尾而發(fā)出的叮當(dāng)砰響聲中,我發(fā)現(xiàn)自己很難想象我們需要用這么大的東西來(lái)探測(cè)比原子小很多倍的粒子。

        大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)有四個(gè)這樣的探測(cè)器,每個(gè)探測(cè)器用于不同的實(shí)驗(yàn)。就在這些巨大探測(cè)器的正中央,在原子核中發(fā)現(xiàn)的、名為質(zhì)子的粒子順著27公里長(zhǎng)的環(huán)形隧道被加速到接近光速,隨即對(duì)撞。

        對(duì)撞會(huì)產(chǎn)生向不同方向飛去的更小的粒子。它們的路徑和能量由探測(cè)器系統(tǒng)進(jìn)行追蹤,正是這道痕跡告訴科學(xué)家它是什么類型的粒子,就像從動(dòng)物的腳印確定其物種和特征一樣。

        幾乎所有由對(duì)撞產(chǎn)生的較小粒子都已為科學(xué)所知。這里的物理學(xué)家們正在尋找的是新粒子的存在證據(jù),這些新粒子可能由對(duì)撞產(chǎn)生,但被認(rèn)為極其罕見(jiàn)。

        物理學(xué)家們認(rèn)為,正是這些未被發(fā)現(xiàn)的粒子,才是開(kāi)啟觀察宇宙的全新視角的關(guān)鍵。他們的發(fā)現(xiàn)將創(chuàng)造自愛(ài)因斯坦的相對(duì)論以來(lái)物理學(xué)思想的最大轉(zhuǎn)變。

        過(guò)去三年里,工程師們一直在對(duì)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)進(jìn)行升級(jí),以便在更短的時(shí)間內(nèi)制造更多次對(duì)撞。翻新過(guò)的機(jī)器有更大的機(jī)會(huì)產(chǎn)生、找到那些極少被制造出的新粒子。這項(xiàng)工作大部分是由羅德里·瓊斯(Rhodri Jones)博士領(lǐng)導(dǎo)的,他有個(gè)好玩的頭銜,叫作“粒子束首領(lǐng)”。

        我在研究中心的磁鐵組裝區(qū)見(jiàn)到了羅德里,這片區(qū)域像一座巨大的飛機(jī)庫(kù)。在這里,工程師們正在改進(jìn)15米長(zhǎng)的圓柱形磁鐵,這種磁鐵被置于加速器周圍以彎曲粒子束。這是一項(xiàng)精密的工作,絕不容許犯錯(cuò)。

        羅德里告訴我,他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使粒子束變窄,這樣更多的粒子就被壓縮到了更小的區(qū)域中。這大大增加了粒子相互對(duì)撞的概率。

        “我們正在研究的是非常罕見(jiàn)的過(guò)程,因此對(duì)撞的次數(shù)越多,真正找到過(guò)程中具體細(xì)節(jié)、發(fā)現(xiàn)微小異常的機(jī)會(huì)就越大?!彼f(shuō)。

        “粒子束的改進(jìn)意味著,自大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)投入運(yùn)行以來(lái),對(duì)于我們?cè)谶^(guò)去十年里所做的所有物理研究,都能夠在未來(lái)三年內(nèi)得到與之相同的對(duì)撞數(shù)量?!?/p>

        另一個(gè)重大改進(jìn)發(fā)生在對(duì)對(duì)撞數(shù)據(jù)的捕獲和處理方面。在經(jīng)過(guò)翻新的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中,四個(gè)探測(cè)器以每秒3 000萬(wàn)次的高速收集數(shù)據(jù)。這對(duì)于人類的大腦而言自然是難以承受的,但是任何一次對(duì)撞都可能包含著科學(xué)家們正在尋找的某種新粒子存在的關(guān)鍵證據(jù)。

        大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的軟件已進(jìn)行了升級(jí),可以自動(dòng)搜索所有收集到的數(shù)據(jù),并利用最新的人工智能技術(shù)識(shí)別和保存科學(xué)家可能會(huì)感興趣的讀數(shù),以供分析。

        當(dāng)前的亞原子物理學(xué)理論被稱為標(biāo)準(zhǔn)模型。盡管這個(gè)理論的名字缺乏想象力,但它卻絕妙地解釋了亞原子粒子如何聚集在一起、創(chuàng)造出了構(gòu)成我們周圍世界的原子。標(biāo)準(zhǔn)模型還解釋了粒子如何通過(guò)自然力相互作用,例如電磁力和把原子的組成部分聚集在一起的核力。

        但是,標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法解釋引力是如何運(yùn)作的,也無(wú)法解釋物理學(xué)家稱之為暗物質(zhì)和暗能量的、宇宙中不可見(jiàn)的部分是如何運(yùn)作的。科學(xué)家們從太空中星系的運(yùn)動(dòng)得知了這些不可見(jiàn)粒子和力的存在,而它們加在一起占據(jù)了宇宙的95%。但是還沒(méi)有人能夠證明它們的存在并確定它們是什么。

        建造大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)正是為了探測(cè)這些粒子,它們或許可以解釋宇宙中的大部分是如何運(yùn)作的。瑪塞拉·博納博士告訴我,如今對(duì)撞機(jī)的升級(jí)使得此事真的有了可能。

        “這真是一個(gè)令人興奮的時(shí)刻,”她笑得燦爛,“過(guò)去三年,我們一直在更新機(jī)器?,F(xiàn)在,我們準(zhǔn)備好了?!?/p>

        從我見(jiàn)到瑪塞拉的那一刻起,她始終充滿了激情。但當(dāng)我問(wèn)她,暗物質(zhì)粒子的發(fā)現(xiàn)是否會(huì)成為物理學(xué)上最重大的發(fā)現(xiàn)之一時(shí),她的熱情更上了一層樓。

        大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的軟件已進(jìn)行了升級(jí),能夠以每秒3 000萬(wàn)次的速度篩選數(shù)據(jù)

        “我會(huì)說(shuō)是的,”她哈哈笑著,睜大了眼,“是的,絕對(duì)的,那會(huì)是件棒極了的事?!彼f(shuō)著,放任自己暫時(shí)沉浸在未來(lái)數(shù)個(gè)月就能實(shí)現(xiàn)此事的前景中——這頗有可能。

        山姆·哈珀博士也同樣興奮,這位科學(xué)家在過(guò)去的二十年里一直在尋找自然界的“第五種力”。他在對(duì)撞機(jī)四臺(tái)粒子探測(cè)器中另一臺(tái)名為緊湊μ子線圈(CMS)的機(jī)器工作,該探測(cè)器位于歐洲核子研究中心建筑群的另一端。

        在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)關(guān)停升級(jí)之前,它和全球另外幾臺(tái)粒子加速器都已找到了第五種力的誘人跡象。但有了對(duì)撞機(jī)的額外功力,山姆告訴我,他的科學(xué)求索可能很快就要看到終點(diǎn)的曙光了。

        和瑪塞拉一樣,當(dāng)他大聲說(shuō)出那缺少堅(jiān)實(shí)證據(jù)就不能在科學(xué)圈子里正式說(shuō)出的話語(yǔ)時(shí),聲音中的興奮愈發(fā)明顯。

        “這將顛覆整個(gè)領(lǐng)域。它將是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)最大的發(fā)現(xiàn),也會(huì)是粒子物理學(xué)最大的發(fā)現(xiàn),自從……自從……”

        山姆停頓了一下,努力想找到合適的詞。

        “它會(huì)是比希格斯玻色子更大的發(fā)現(xiàn)?!?/p>

        今年晚些時(shí)候,歐洲核子研究中心將慶祝希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)十周年。但是慶?;顒?dòng)讓人們注意到這樣一個(gè)事實(shí):自那以來(lái),由政府出資36億英鎊建造、每年耗費(fèi)11億英鎊的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)就再也沒(méi)有什么重大發(fā)現(xiàn)了。許多人希望過(guò)——另一些人則期待過(guò)——時(shí)至今日,這最強(qiáng)大的粒子加速器理應(yīng)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了暗能量、第五種力或是其他足以轉(zhuǎn)變范式的粒子。

        研究人員在接下來(lái)數(shù)年中得到的結(jié)果極為重要,因?yàn)楹芸?,歐洲核子研究中心就要提議建造一臺(tái)更大型的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。這一充滿雄心壯志的計(jì)劃被稱為未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)(FCC),它將擁有97公里的環(huán)形周長(zhǎng),位于日內(nèi)瓦湖的地底。

        這張計(jì)算機(jī)模擬圖展示了遍布宇宙的暗物質(zhì)。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的研究人員希望能夠真正地找到它

        未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)預(yù)計(jì)耗費(fèi)200億英鎊。目前的機(jī)器至少還要運(yùn)行10年時(shí)間,輔以數(shù)次升級(jí),這些升級(jí)會(huì)給它更大的力量去嘗試發(fā)現(xiàn)那些將永遠(yuǎn)改變物理學(xué)的粒子。但是歐洲核子研究中心的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)者們很快就要給出證據(jù)以爭(zhēng)取下一階段的粒子物理實(shí)驗(yàn)了。假如最新的升級(jí)措施未能在將來(lái)兩到三年內(nèi)找到任何新粒子的蛛絲馬跡,那么要說(shuō)服成員國(guó)政府承諾大幅增加資金將變得更加困難。

        山姆·哈珀博士承認(rèn),當(dāng)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)開(kāi)始下一組實(shí)驗(yàn)時(shí),他感到“有點(diǎn)害怕”。

        “我們正在拼命地試圖把事情都安排妥當(dāng),非常努力地確保我們不會(huì)錯(cuò)過(guò)任何可能的新的物理成分。因?yàn)槭澜缟献钤愀獾氖虑榫褪牵碌奈锢沓煞值拇_存在,但我們卻沒(méi)找到它。”

        然而,有一種情緒壓倒了山姆的恐懼:那是對(duì)未來(lái)幾年可能發(fā)生之事的強(qiáng)烈興奮。

        “驅(qū)使所有粒子物理學(xué)家的動(dòng)力在于我們想要發(fā)現(xiàn)未知,這就是為什么諸如第五種力和暗物質(zhì)這樣的事物如此令人興奮,因?yàn)槲覀儾恢浪鼈兪鞘裁?、不知道它們是否存在,而我們真的想要找出答案?!?/p>

        今年早些時(shí)候,費(fèi)米國(guó)立加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)模型中的第一道缺口(該實(shí)驗(yàn)室有著美國(guó)版的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī))。在接下來(lái)的數(shù)月和數(shù)年里,大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的研究人員將會(huì)尋求證據(jù)以證實(shí)他們的結(jié)果,并在現(xiàn)有理論中發(fā)現(xiàn)更多漏洞,直到它崩潰,并為一套新的、統(tǒng)一的、更完整的宇宙運(yùn)行理論讓路。

        資料來(lái)源 BBC

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