地下“粒子物理王國”：制造迷你版宇宙大爆炸

這里——歐洲原子能研究中心，聚集著世界頂尖科學家，他們因發現“上帝粒子”，從而重新定義了宇宙與人類。

這里，借助大型強子對撞機，這一現世界最大、能量最高的粒子加速器，隨時在上演實驗室微縮版“宇宙大爆炸”。

質量的起源是什么?為什么微小粒子擁有質量，而其它一些粒子卻沒有這種“待遇”?對于這些宇宙之謎，人類從來沒有放棄探索。

在瑞士日內瓦的歐洲原子能研究中心(CERN)就聚集了一幫世界頂尖科學家，幾十年來，上下求索，探究宇宙奧秘。CERN震驚物理界的成果，當屬利用大型強子對撞機(LHC)發現了希格斯玻色子。這種亞原子粒子又被稱為“上帝粒子”。它的發現，為粒子擁有質量提供了最強大的佐證。

每年4月啟動，12月中旬停下來，這個龐大的科研大機器在遙遠的瑞士日內瓦不舍晝夜地運轉著。借助于對撞機產生的前所未有的能量，隨時在上演實驗室微縮版“宇宙大爆炸”。日前，華西都市報記者有幸在研究中心的中方研究員、北京大學教授錢思進和粒子物理學家任忠良博士的帶領下，零距離探訪這神秘的地下“粒子物理王國”。

華西都市報-封面新聞記者探訪歐洲原子能研究中心。

如何制造宇宙大爆炸

借助大型強子對撞器，這里的科學家們得以制造“迷你版”宇宙大爆炸之后的瞬間狀況，從而探究“暗物質”，“暗能量”等宇宙之謎。

記者到訪時，正值瑞士隆冬。

研究中心被茫茫白雪覆蓋，看起來有些寂冷，而中心內的學術氣氛卻是分外濃烈，隨時可見不同膚色、不同裝束的學者聚在一起，操各種口音的英語或法語討論問題。

記者此行想要探訪的大型強子對撞器就坐落在日內瓦附近瑞士和法國的交界朱拉山地下100米深、總長27公里的環形隧道內。它在2008年5月投入運行后，一年工作從4月底開始啟動，一直運行到12月份中旬停下來。

錢思進教授詳細闡述了大型強子對撞機的對撞原理和路徑。首先，從氫氣瓶中產生一束質子包，注入到加速器系統里面去加速。質子沿著環形隧道行進，不斷加速，持續獲得能量。

“和大家想象中不一樣，質子進入加速器后并不是沿著一條直線運行的。”錢教授說，就像火箭發射一樣，要經歷多次加速的過程，質子的能量經歷不同等級的加速后達到最大值。作為目前全世界最大，能量最高的一個粒子加速器，它可以把質子加速到7萬億電子伏特的能量——這是以前從來沒有達到過的。

“當兩個七萬億電子伏特的質子，以接近光速的速度進行對撞時，產生十四萬億電子伏特的火球，這個火球的溫度可以達到10的16次方，相當于太陽中心溫度的十億倍。宇宙是140億年以前由大爆炸產生的，這就相當于把時間推回到140億年以前的宇宙產生初期的極高溫高壓的一個狀態。在這里，科學家試圖通過制造“迷你版”宇宙大爆炸之后的瞬間狀況，探秘“暗物質”，“暗能量”等其他未解之謎。

錢三強之子錢思進教授跟記者講解對撞機上的探測器。

怎樣發現上帝粒子

探測器中安置的超環面儀器抓取碰撞影像的速度可達每秒4000萬次，從而在粒子級別上記錄任何細微的變化?！吧系哿Ｗ印本褪沁@樣被發現的。

質子不斷加速，最終以接近光速的速度運行。一秒鐘要在27公里隧道里面轉到超過一萬億一千五百圈。

對撞后，新粒子如何被發現呢?

“這個時候探測器會幫助我們?！卞X教授告訴記者，對撞機內，有兩條平行的束流管道，這就是質子運行的通道了。在整個對撞過程中，兩個束流管彼此平行，從不交叉。只在四個點交匯，那就是所謂的對撞點。每個對撞點各裝有一個探測器，他本人就在其中一個探測器工作。

研究中心中方研究員、粒子物理學家任忠良博士告訴記者，對撞機發射的粒子束經過這個探測器時發生碰撞，產生的粒子沿著碰撞半徑方向向外發散，這些肉眼難以察覺的物理現象都會在這一高性能探測器上留下影像。探測器中安置的超環面儀器抓取碰撞影像的速度可達每秒4000萬次，從而在粒子級別上記錄任何細微的變化。

為處理由此產生的海量數據，3000臺計算機會同時運轉，從大量無效碰撞數據中選取符合研究需要的少數粒子高能對頭碰撞記錄并加以分析。即便如此，篩選出的有用數據量仍大得驚人。這一探測器運行一年產生的數據如用DVD光盤刻錄，所有光盤鋪排起來將長達7公里。

“碎片是什么粒子，運行速度有多快，能量多大?”錢教授告訴記者，探測器會將這些碎片搜集起來，同時運用一套強大的信息處理系統，將碎片的信息儲存，再倒推，重現粒子本身的特質。“通過多次對撞，發現，倒推的過程，我們可以發現以前并不存在的粒子，希格斯玻色子就是這樣被發現的?！?/p>

大型強子對撞機局部圖

科學使命新粒子在哪里

2035年后，CERN計劃建設新一代環形對撞機，軌道總長將達100公里，以進一步尋找新粒子。

從質子發射到注入加速器系統，最后越來越快，接近光速，大概需要45分鐘。從氫氣瓶中產生質子，到質子達到設計的能量去對撞，對撞發生后，兩束質子可以一直對撞下去，一直對撞到37小時。

希格斯玻色子發現之后，下一個新粒子是什么?目前還沒有定論。不過，大型強子對撞機依然在每天堅持不懈地工作著?！百|子是復合粒子，直徑是10的負15次方米，相當于納米粒子的百萬分之一，盡管束流光點是16微米，但是它還是比質子本身大十億倍，不管怎么做，大量的質子都是對撞不了，都是錯過的，所以要不停地來回循環，這個過程可以持續到37小時?！比沃伊颊f，37小時對撞周期結束后，這個束流已經耗盡了，45分鐘再產生新的束流，再進行對撞?！?/p>

目前，大強子對撞機已經達到其設計能量。希格斯玻色子之后，下一個新粒子在哪里?對此，科學家認為，要進一步尋找新粒子，需建設能量和精度更高的機器。

據介紹，這臺大強子對撞機會運行到2035年，此后，CERN計劃建設新一代環形對撞機，軌道總長將達100公里。CERN將在5年內公布“未來環形對撞機”的完整設計報告和造價?！暗谌魏侮P于新對撞機的決定敲定前，我們需要積累更多來自LHC的結果，這些結果將決定未來選擇的方向?！盋ERN有關負責人接受采訪時說。

觀點交鋒再論

中國要不要建超大型對撞機

受訪專家：關鍵能否吸引國家合作

2016年9月4日《知識分子》刊發了楊振寧的文章《中國今天不宜建造超大對撞機》。隨后，中國科學院高能物理研究所所長王貽芳撰文《中國今天應該建造大型對撞機》駁楊振寧，由此掀起一場“中國該不該建造超大對撞機”的觀點交鋒。在CERN參觀采訪時，兩位中方學者也談了自己的看法。

“我既不同意楊振寧先生的觀點，也不同意主建派的觀點。”任忠良認為，中國建造超大對撞機，技術方面暫且不論，關鍵是能否吸引國際合作。他以大強子對撞機的一個ATLAS探測器為例進行了說明。這個探測器是由來自于38個國家，178個大學研究所，3000多個科學家，花了16年時間研制而成，本身耗資5.5億瑞士法郎。至于運行費用，每一次運行都是一次“燒錢”的過程。他表示，僅僅是整個加速器耗電量就達到了220兆瓦，相當于日內瓦民用電量的一半，要花掉8000萬到1億瑞士法郎去運轉。這些費用除了歐洲原子能研究中心外，德國、瑞士等成員國分別承擔了費用。

“大強子對撞機，本身就是一個國際合作的產物。”在任忠良看來，與其花費巨額資金重新建造一個，不如中國加入進來?！斑@邊不僅是做基礎研究，還可以派大量的工程師，技術員加入到這個項目的建設里邊來，從而學習各方面的高科技?！?/p>

錢思進在接受采訪時談了自己的感受，他1988年就到了歐洲原子能研究中心進行科學實驗，這里花費了近60年時間才慢慢穩定下來。至于中國要不要建設超大對撞機?他認為“科學發展不能冒進。”

燒錢對撞機

一個探測器：5.5億瑞士法郎

LHC上的一個探測器便是由來自于38個國家，178個大學研究所，3000多個科學家，花了16年時間研制而成，本身耗資5.5億瑞士法郎。

每一次運行：近1億瑞士法郎

每一次運行僅僅是整個加速器耗電量就達到了220兆瓦，相當于日內瓦民用電量的一半，要花掉8000萬到1億瑞士法郎。