大型强子对撞机首年 运行平稳尚未发现上帝粒子
发布时间：2011-2-15 12:21
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2011年02月15日 09:32 来源：南方周末 (李淼 作者系中科院理论物理所研究员) 
英国伯明翰大学的物理学家埃文斯在近距离观看ALICE探测器中“小爆炸”的发生情景 大型强子对撞机(LHC)的第一年运行非常平稳，虽然因为时间和亮度的关系，还没有发现希格斯粒子与新物理，但很好地验证了标准模型以及实现了“小爆炸”，这对研究早期宇宙很有帮助。 大型强子对撞机，英文简写为LHC，是最吸引人眼球的科学装置和实验。该装置位于日内瓦附近的瑞士和法国交界处，主要部分安置在一个周长为27公里的隧道中，该隧道最深达175米。 这个隧道并不很新，建造于1983年到1988年之间，曾经安置过大型正负电子对撞机(LEP)。这台同步加速器为了给LHC让路在2000年就关闭了，但成果斐然。在运行的11年间，精确确定了粒子标准模型中迄今发现的重量排名第二和第三的两个粒子的质量，即所谓中间玻色子的质量，同时也精确确定了标准模型中的很多其他参数。可惜，这台加速器并没有发现标准模型的最后一个粒子，希格斯粒子。 大型强子对撞机的主要目的是完成大型正负电子对撞机的未竟事业，找到希格斯粒子。当然很多物理学家还期待大型强子对撞机带给我们更多的惊喜，即超出标准模型之外的新粒子和新物理。 加速器 在谈LHC运行一年多中的各种发现之前，我们先简单说说加速器是什么，我们为什么要建造这些庞然大物。 我们知道，我们用肉眼看东西有尺寸上的限制，原因是我们只能看到可见光，而可见光的波长最短是0.39微米即390纳米。光学以及量子力学告诉我们，为了要看到更小的东西，我们需要更短的波长。例如，X光的波长最短达0.01纳米。短波的X射线由于波长极短，可以穿透固体，可以探测固体内部以及可以为固体结构成像。同理，更短波长的伽玛射线可以探测更小的尺度。 物理学家为了探测亚原子结构，还需要其他高能粒子，如正负电子和质子以及反质子。粒子的能量越高，波长也越短(物质波的波长)，这样就可以探测到更小的尺度。最早的粒子加速器是Cockcroft-Walton倍压器，利用电压来加速电子。现在的粒子加速器五花八门，从直线加速器到回旋加速器。 大型强子对撞机是同步加速器，最高单个粒子能量设计是7T电子伏。这里T是10的12次方，即一万亿。我们也可以用速度来想象质子达到的能量，我们知道，相对论告诉我们任何物体最高的速度是光速，一个能量为7T电子伏的质子的速度与光速只差了不到一亿分之一。 质子在加速器的四个交叉点碰撞，科学家在这些交叉设置了六个探测器，这些探测器是用来记录和测量粒子碰撞后的结果的。物理发现将在这些探测器上做出。其中比较显著的是四个探测器，名称分别为ATLAS(虽然是一些英文词的缩写，却与希腊神话中的大力神巨人同名，他用双肩将天扛起)，CMS，ALICE，LHCb。 期待什么 LHC的主要目标是发现希格斯粒子，这是标准模型中最后一个还没有被发现的粒子，却是最重要的一个。这是因为，标准模型中的所有粒子开始时都没有质量，希格斯粒子就像上帝的使者，它的存在改变真空，而其他粒子通过与希格斯的关联获得质量。所以，为了最后验证标准模型，希格斯粒子是否存在至关重要。 另外，希格斯粒子也是最有可能与我们还没有发现的新物理规律相关联的。例如，也许存在超对称，超对称的存在预言至少有两个希格斯粒子。很多理论家还期待LHC将发现三维空间之外的额外维、超弦理论的迹象以及暗物质的迹象。四个探测器的主要科学目的不同。ATLAS用来寻找新物理规律以及希格斯粒子和粒子的质量起源；CMS也是用来寻找希格斯粒子的，同时寻找暗物质的迹象；ALICE主要的科学标目是研究夸克-胶子等离子体(后面我们要侧重谈到)；LHCb的主要目标是研究为什么我们宇宙中存在物质与反物质的不对称。 
在LHC铅离子对撞实验中，出现了新的物质状态，即夸克-胶子等离子体 我本人期待LHC将给我们带来意想不到的收获，而不是像理论家们期待的那样看到超对称甚至超弦理论的迹象。我对LHC是否会发现额外维以及小黑洞持有极大的怀疑态度。我觉得额外维和小黑洞的宣传主要是欧洲核子中心的公关策略。据说，LHC的科学宣传策划已经被写进媒体教科书。 有些理论家，成天制造不同的理论，希望制定出一份周详的菜单，不论LHC发现什么，都在他的菜单上。这些菜单的制造，基本建立在一个或两个假想的问题上，而不是实验的启示。我觉得爱因斯坦的话值得铭记：“上帝是微妙的，但他不怀恶意。”什么意思呢？就是上帝大概不会被你无缘无故地猜中，但最终他还是愿意告诉你他自己的计划。 第一年 从2008年到今天，全球关心所谓宇宙秘密的人，总是被LHC的新闻所吸引。2008年9月10日，LHC第一次启动，经过一段时间的运转，9月19日因为冷却系统的故障53个磁铁损坏了，LHC被迫关闭。修复是一个漫长的过程，因为还涉及到整个系统的检查、清理和调试。经过一年多的辛苦工作，终于在2009年11月21日重新启动。11月24日，LHC的四个探测器都检测到相反运动的两个粒子束的碰撞，这些粒子束含的是质子，每个质子的能量达到450京电子伏(1京=10亿)。这个能量当然还远远低于设计的七千京电子伏。到了11月30日，一个纪录产生了，被加速后的每个质子的能量达到1180京电子伏，超过了过去的纪录980京电子伏(美国国立费米实验室的纪录)。 我过去写过，按照最乐观的期望，LHC运行的第一年，也就是2010年，不要指望LHC能带给我们任何激动人心的消息。现在，2010年过去了，虽然LHC一直平稳而有效地工作着，的确没有给我们带来新物理发现。但有一些正常与有些出乎意料的发现还是值得书写的。 首先，LHC还没有达到预计的最大能量。现在每个质子的最高能量是3.5T电子伏，是设计能量的一半，这个能量是2010年3月份达到的，在接下来的时间中，加速器主要是增加质子束的亮度——即每束粒子含有的粒子个数，个数越多，碰撞的机会才越大，才越有可能看到新物理。ATLAS的科学家们很快就看到了标准模型中的中间玻色子，但并没有看到任何不同寻常的新物理现象。 重要新闻 到了去年9月份，第一个重要新闻发布了。在经过大约半年的粒子碰撞后，CMS探测器收集到足够的数据看到了一些非常有趣的现象。他们似乎看到了夸克-胶子等离子体。这是位于美国的布鲁克海文实验室叫做RHIC加速器在比较低的能量上已经看到的。由于LHC的能量更高，如果夸克-胶子等离子体在高能量段还具备完美的液体性质，在实验和理论上都是令人兴奋的进展。 那么，什么是夸克-胶子等离子体？科学家们为什么因为看到这种等离子体而兴奋？他们甚至说，他们实现了可与宇宙大爆炸相比的“小爆炸”，这种小爆炸又是什么意思？ 我们知道，通常我们看到的物质的主要成分是原子核，原子核由质子和中子构成。再下一层结构是夸克，质子和中子都是由夸克构成的，每个质子或中子含有三个夸克。当然，三个夸克的说法是在寻常的能量上。如果我们试图看到更多的细节，我们会看到胶子，这些胶子是将夸克强力地约束在一起的粒子，起了类似“不干胶”的作用，当然其力度比起不干胶可要强多了。 色浆·小爆炸 其实，当我们用能量轰击质子或原子核时，由于能量多的原因，在通常的夸克和胶子外，我们还会看到夸克和反夸克成对地产生。如果原子核的能量足够大，在轰击的过程中，将会有很多夸克和胶子出现。 这个时候，仅仅看单个粒子就不合适了，我们需要用气体或液体的概念来描述这些存在极为短暂的新物态。由于新物态是夸克与胶子构成的，所以叫夸克-胶子等离子体。夸克和胶子之间的相互作用是由色荷决定的(就像电子与电子之间的相互作用由电荷决定的类似)，我过去曾开玩笑地建议将新物态命名为色浆——因为在台湾，普通等离子体叫做电浆。 夸克-胶子之间的相互作用非常强，即使在极高能，也不能忽略它们之间的力。但理论家们分为两派，一派认为色浆是气体，至少在较高的能量上，色浆的表现像气体。另一派则认为色浆是液体，而且还不是普通液体，是粘滞性很低的液体。气体和液体的粘滞性与粒子之间的力大小有关，力越大，粘滞越小，如果粘滞为零，我们叫这种液体为完美液体。 在宇宙大爆炸发生后不久，宇宙就是一种液体，由正负电子、夸克与胶子以及其他粒子组成。所以，研究夸克与胶子等离子体的性质就与大爆炸有关了。在加速器上，由于实现的空间与时间相对小和短，人们就将这种事件称为“小爆炸”。 研究色浆的第一个实验是RHIC。RHIC是Relativistic Heavy Ion Colider的缩写，在位于美国长岛的布鲁克海文实验室。我印象中这个实验早在上世纪90年代初就计划了，那时弦论陷入一个周期性的黑暗中，我为了未来开始研究一点夸克和胶子的色动力学。那时我在明尼苏达大学参加了一个会议，会上有名的理论物理学家Bjorken就大肆宣传RHIC的实验。RHIC总共花了多少钱？到2005年一共花了11亿美元。 去年9月份CMS在质子碰撞中看到色浆的迹象。LHC在去年11月份开始加速铅原子核，使得每个核子(即原子核中含有的质子和中子)能的平均能量达到1.38T电子伏，远远高于RHIC实验。这些实验在去年12月6日结束。在不到一个月的实验中，几个探测器都看到了色浆，而且与那些怀疑论者所持的想法相反，色浆在高温下依然是粘滞很小的完美液体，并且，喷注淬灭效应更加明显了。ALICE探测器与ATLAS探测器发表在《物理评论通讯》12月13日那一期上的两篇论文是LHC运行了一年的最好总结。 总之，大型强子对撞机(LHC)的第一年运行非常平稳，虽然因为时间和亮度的关系，还没有发现希格斯粒子与新物理(超对称也好，小黑洞也好，额外维也好)，但很好地验证了标准模型，以及实现了“小爆炸”，证实了色浆是一种完美液体，这对研究早期宇宙很有帮助。 |
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