本報訊歐洲核子研究中心（CERN）3月30日宣布，跨越日內(nèi)瓦市郊瑞士法國邊界的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，簡稱LHC）上，總能量為7萬億電子伏特的兩個束流對撞，在發(fā)生兩次故障后最終獲得成功。這是世界上目前能量最高的對撞。
此次對撞實驗首次向媒體開放48小時。中國科學(xué)院高能物理所CMS（緊湊繆子線圈）實驗遠(yuǎn)程控制中心通過網(wǎng)絡(luò)向媒體直播了對撞實驗過程。
“此次對撞成功，標(biāo)志著LHC的物理研究的開始，標(biāo)志著一個激動人心的粒子物理新時代的到來。”中國科學(xué)院高能物理研究所粒子天體物理中心研究員陳國明說。
據(jù)悉，對撞的兩個束流，每個束流帶兩個束團，每個束團由50億個質(zhì)子組成，每個質(zhì)子的能量為3.5萬億電子伏特。質(zhì)子的速度是光速的99.999995%（比光速慢億分之五）。按計劃，本次運行后4個月內(nèi)，每個束團的質(zhì)子數(shù)將上升到800億個。
北京時間30日下午3點左右，正當(dāng)記者們在高能所CMS實驗遠(yuǎn)程控制中心聚精會神地觀看對撞實驗時，CERN傳來消息：由于對撞機保護裝置導(dǎo)致束流意外丟失，對撞未能如期實現(xiàn)。研究人員不得不繼續(xù)對機器進(jìn)行調(diào)試。
陳國明介紹，2008年的LHC實驗失敗，發(fā)生爆炸事故，在其后的一年多時間，CERN對LHC進(jìn)行了檢修和調(diào)整，并增加了保護裝置。此次束流丟失正是此保護裝置所致。
不過，CERN研究人員隨即表示，這是他們意料之中的事情：“我們已經(jīng)等了20年，可以再耐心等一會?！睅讉€小時后，CERN研究人員想要再次進(jìn)行對撞，又一次發(fā)生了故障。不過，功夫不負(fù)有心人，經(jīng)過進(jìn)一步調(diào)試后，北京時間30日晚上7點零6分，總能量為7萬億電子伏特的兩個束流對撞成功。
“做科學(xué)實驗，尤其是在能量這么高的機器上開展實驗，是一件非常有挑戰(zhàn)性的事情，不會像開party一樣，客人一來就可以看到慶祝的時刻。”高能所所長陳和生向記者介紹,“LHC是世界上能量最高的機器，非常復(fù)雜，在調(diào)試過程中，由于束流丟失未能如期實現(xiàn)對撞，并不意味此次對撞實驗失敗。北京正負(fù)電子對撞機在調(diào)試過程中也經(jīng)常出現(xiàn)束流丟失的情況，這是調(diào)試過程中碰見的正常狀況?！?nbsp;
歐洲核子研究中心將連續(xù)運行LHC 18到24個月，以便為LHC上面的各個實驗提供足夠的數(shù)據(jù)來進(jìn)行物理研究。這一階段的運行過后，LHC將關(guān)機進(jìn)行徹底修理，為14TeV對撞作準(zhǔn)備。
歐洲核子中心的所長Heuer說，兩年的連續(xù)運行是一個離譜的要求，但這個努力是值得的，這可以補償前次失敗所失去的時間，使物理學(xué)家們可以有機會做出他們的成果。
LHC：將開啟粒子物理時代
陳和生介紹，LHC是世界上最大的大型強子對撞機，建在周長為27公里的環(huán)形隧道里。隧道埋在地下50到175米處。LHC的設(shè)計目標(biāo)是對撞兩個反向回旋的質(zhì)子束流。質(zhì)子束流的總能量最高能達(dá)到14萬億電子伏特。
LHC的隧道里安放了4個探測器CMS（緊湊繆子線圈）、ATLAS（超環(huán)面儀器）、LHCb（底夸克探測器）和ALICE（大型離子對撞機）?？茖W(xué)家們期望在能量為數(shù)萬億電子伏特的質(zhì)子對撞中發(fā)現(xiàn)有意義的新物理，例如難以捉摸的黑格斯粒子，它是一種理論上預(yù)言的能解釋其他粒子質(zhì)量起源的新粒子和組成暗物質(zhì)的粒子，而這些暗物質(zhì)構(gòu)成了宇宙的大部分物質(zhì)。但LHC的科學(xué)家們并不期待在第一天就發(fā)現(xiàn)新的粒子，因為科學(xué)研究是一個長時間的過程。
CMS和ATLAS兩個實驗的物理目標(biāo)是尋找黑格斯、額外維度和宇宙神秘的暗物質(zhì)。4個探測器中ATLAS體積最大，能占半個巴黎圣母院。CMS大小只有ATLAS的1/6，但重量是ATLAS的1.8倍，它使用的鐵比埃菲爾鐵塔還多。它采用圓柱形超導(dǎo)電纜線圈，可產(chǎn)生4萬高斯的磁場，相當(dāng)于地球磁場的10萬倍。
LHCb實驗將有助于人們了解為什么宇宙中反物質(zhì)不可思議地缺少。它通過研究一種稱為“底夸克”的粒子，專門對物質(zhì)和反物質(zhì)之間的微妙差異展開調(diào)查。
在這4個實驗中，3個是質(zhì)子對撞實驗，只有ALICE是重離子對撞實驗。LHC將讓鉛離子進(jìn)行對撞，在實驗室條件下重建“大爆炸”之后的宇宙初期形態(tài)，撞擊時產(chǎn)生的高溫是太陽內(nèi)部溫度的10萬倍。物理學(xué)家希望看到的是，質(zhì)子和中子會在這種高溫條件下“熔化”，并釋放被膠子束縛的夸克。ALICE獲得的數(shù)據(jù)將允許物理學(xué)家研究夸克―膠子等離子體的性質(zhì)和狀態(tài)。
建造LHC的設(shè)想是在上世紀(jì)80年代初提出的，有人設(shè)想利用當(dāng)時還在計劃中的大型正負(fù)電子對撞機27公里長的隧道建造能量更高的對撞機。1984年在瑞士洛桑召開的學(xué)術(shù)討論會上成立了幾個工作組去研究質(zhì)子對撞中的物理學(xué)。1994年2月，歐洲核子中心理事會批準(zhǔn)了這一計劃。1995年，LHC的技術(shù)設(shè)計報告被公布。1998年4月，土木工程開工。
中國：積極貢獻(xiàn)力量
據(jù)悉，有來自約40個國家大約3000名科學(xué)家參加了CMS和ATLAS實驗。
中國是參加CMS實驗的40多個國家之一，有4家科研單位參與CMS實驗。其中，中國科學(xué)院高能物理研究所和北京大學(xué)組成的CMS中國組成功建造了1/3的端部繆子探測部陰極條室和阻性板室，并參與擬定了CMS技術(shù)設(shè)計報告。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所向CMS提供了核心探測材料――用于電磁量能器的5000余根自主研制的鎢酸鉛（PWO）閃爍晶體。中國科技大學(xué)參與了電磁量能器的研制。CMS中國合作組在高能所建立了CMS實驗遠(yuǎn)程控制中心，與CERN和美國費米實驗室一起輪班承擔(dān)CMS實驗的一部分實時控制工作。
ATLAS中國組包括中國科學(xué)院高能物理研究所、山東大學(xué)、中國科技大學(xué)和南京大學(xué)四個單位。對ATLAS實驗的繆子探測器和電磁能量器的設(shè)計和建造作出了重要貢獻(xiàn)。
目前，CMS和ATLAS實驗的中國科學(xué)家正積極參與探測器日常運行值班和非常復(fù)雜的模擬數(shù)據(jù)分析，為用即將獲取的實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)包括黑格斯在內(nèi)的新粒子和新物理作準(zhǔn)備。
高能所的計算中心建立了LHC數(shù)據(jù)分析的網(wǎng)絡(luò)平臺，有2500個CPU，加入全球LHC的實驗數(shù)據(jù)分析網(wǎng)絡(luò)，為中國物理學(xué)家和世界各國的物理學(xué)家服務(wù)。
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