为了揭示物质的本源,由欧洲核子中心(CERN)2000名科学家和工程师组成的CMS与ATLAS探测器小组展开了角逐,争相探寻希格斯粒子的踪迹,目标直指诺贝尔奖——
离瑞士日内瓦湖西端不远的罗讷河平原的地底下,工作人员正在为超级粒子对撞机——大型强子对撞机(LHC)作最后的组装工作。LHC是欧洲核子中心(CERN)负责修建和运作,由60多个国家的科学家齐心合力,费时20多年,斥资80亿美元打造出来的,将有望成为开启宇宙秘密之门的钥匙。
对于大型强子对撞机而言,“大型”两字只是保守的说法,用“超大型”形容则更为贴切些。对撞机的地下圆形隧道,周长约为27千米,穿越了瑞士和法国的边界。在隧道穿过的四个位置,设置了巨型探测器;其中的两组探测器,将同科学家和工程技术人员一起,准备为探测神秘的希格斯粒子展开一场角逐。以下是《发现》杂志记者加布里埃尔·沃克(GabrielleWalker)不久前到LHC现场探访后所作的报道,使人们对其使命有进一步的了解。
CMS与ATLAS探测器小组争相探寻希格斯粒子的踪迹
LHC和希格斯粒子
迄今为止,标准模型是粒子物理学最精确的理论。根据标准模型,空间充斥着一种神秘的物质,称为希格斯场。我们都知道,磁场和引力场的强度会随着空间位置的变化而发生变化,例如,物体在地球上要比它在月球表面重。然而,与磁场和引力场不同,希格斯场的强度在空间的每一处都严格相同;而变化的只是各种不同的基本粒子与它的作用方式。标准模型告诉我们,正是这些作用方式,给基本粒子赋予了质量。简单地说,在自然界中的某些粒子,如质子和中子具有较大质量;而另一些粒子,如电子质量则较小,甚至有些粒子完全没有质量,如光子,这些都是希格斯场的功劳。如果光子不是如此之轻,当你在太阳下伸懒腰时,光子暴会将你撕碎。同样,如果质子和中子不具有如此大的质量,你也不可能在那里享受到日光浴了。因为,如果没有了质量和与之息息相关的引力,我们的星系、恒星、包括我们自己都不会产生。
希格斯粒子为何具有如此神奇的力量?英国理论物理学家约翰·埃利斯(JohnEllis)将希格斯场比喻成一片雪地:如果你想徒步穿越,你将会陷入雪地,并要花上很长时间才能走出去;若是穿上一双雪鞋,你的速度将大大加快;而如果使用雪橇,你则可以轻松快速地穿过雪地。对应到物理上来,雪地上行走“慢”是指粒子“重”。同样,粒子的质量来源于某种基本的物理属性,意义上等同于雪鞋或雪橇,这种属性直接影响到具体粒子穿过希格斯场的方式。希格斯玻色子正是被赋予了这种属性的粒子,它们决定了一个粒子,是如光子一样在空中轻松飞行,还是像笨重的质子那样运动。然而,目前的困难是,我们尚不知道希格斯粒子的具体形态,甚至于对它的存在,仍不是信心十足。如果确实存在,它必须很重,否则,芝加哥费米等实验室的低能装置早就探测到了它的踪迹。然而,它也不能太重,否则,预言它存在的理论将会失效。
根据设计要求,LHC是世界上第一台有能力达到希格斯粒子可能出现的全部能量范围的加速器。如果LHC发现了希格斯粒子,那么它就将证实标准模型的最后一个重大问题,同时也解答了一个古老的难题,即质量是什么。相反,如果LHC寻找不到希格斯粒子,标准模型则将面临彻底的修正;而且,我们对宇宙的认识也会从根本上发生改变。
从未探索过的领域
来自费米国家实验室的彼得·利蒙(PeterLimon)拿出一顶安全帽和一个氧气呼吸器对我说:“我们已经进入了作业区,要时刻小心缆车。”我们乘坐着电梯深入地下91米,进入到世界上最大的粒子对撞机所在的隧道。细长的隧道绵绵延伸,隐没在前方的弯曲之处。隧道四处安放着看似笨拙的高科技设备,使整个隧道显得极其狭窄,只能允许一辆缆车勉强通过,而容不下其他的交通工具。
尽管粒子本身只是微不足道的一个点(仅为一只小昆虫的万亿分之一),如果把它们集中起来,其能量相当于一列快速奔驶的火车
CMS直径16米的巨大端盖缓缓降下并进入实验洞
图为周围围绕着各种线缆的ATLAS
一根梁式管贯穿了整个隧道[用于对亚原子粒子(主要是质子)进行加速的装置],可以将亚原子粒子的运动速度提高到光速的99.999999%。从外部看,它是由一系列首尾相接的巨大的钢桶连接而成,并相间地喷上了红、橙、蓝等颜色,像一根巨大的输油管道,一直延伸到远处(只有从圆桶身上的钢印才可以辨认出它产自哪个国家)。在一段被切开的圆筒前,利蒙向我展示了其内部的复杂结构。圆筒实际上是由两束半径仅为1.5英寸的细管组成,粒子就是在这些管道中被加速的;管道的周围布满了细管、电场和极强的磁场。LHC预计在今年年底首次启动。启动之后,粒子围绕轨道一周仅需不到万分之一秒的时间。
为了使粒子沿轨道运动,必需有一个使它们发生弯曲的力,这个力是由1200个超导磁体提供的,每个磁体足有数吨重,而且均需保持在-271℃的低温下(甚至比星系间的温度还低)。CERN为此建造了世界上最大的低温系统,制造出约70万升的液氮,用于冷却这些磁体。
粒子在各自的轨道中朝着相反的方向加速,如一个沿顺时针方向,另一个则沿逆时针方向。粒子在独立的管道中互不相干地加速,只有在圆形轨道的四个节点处,它们才被安排相遇。也就是在这些节点处,LHC的物理学家将通过探测器观测粒子的碰撞。
站在其中一个碰撞节点处,我想象着将要发生的复杂能量作用,问道:“如果在机器运行时进来,我们会不会因受到辐射而很危险呢?”利蒙回答说:“如果在运行的时候来到这里,你将会受到极强的辐射,这种辐射是致命的!”。每秒有6亿个粒子在这里发生碰撞,尽管粒子本身只是微不足道的一个点(仅为一只小昆虫的万亿分之一),如果把它们集中起来,其能量相当于一列快速奔驶的火车。一束粒子一旦运动起来,需要10个小时才会慢下来,中途会绕轨道运行约97亿千米,这么长的距离足够在地球和海王星之间跑个往返了。
“我想,这是人类建造的最为复杂的机器。”利蒙自豪地说。LHC中的高速亚原子离子束,是迄今地球上看到的能量最高的粒子。这是一个未知的领域:LHC中粒子的碰撞可能会产生出奇特的新物质,向人们展示出新的空间维度;甚至可能会产生一个微型宇宙,模拟出宇宙诞生时的场景。总而言之,建造LHC远远不是寻找希格斯粒子那么简单,“甚至,连我们自己都不能预见将会遇到什么,因为我们现在探索的是一个从未有人探索过的领域。”法国物理学家伊夫·舒茨(YvesSchutz)说。
舒茨正在LHC参与其中的一个项目——大型离子对撞机实验(ALICE)——使超重的铅离子碰撞产生出一个微型火球,模拟宇宙大爆炸的第一个瞬间。ALICE是环形轨道上的两个较小的实验之一;而另一个LHCb实验,将着力解释为什么宇宙中的物质存在形式是物质,而不是反物质,或者更糟糕的两者都没有。
LHC的明星
但是,LHC的明星是另外两台探测器——分别被安放在圆环轨道直径的两端——一端是ATLAS,相距8千米的另一端是CMS。这两台加速器共耗资8.5亿美元,尽管它们的设计迥然不同,但要完成的使命却完全相同。面对这些庞大的实验,你可能会疑惑,为什么CERN要耗费大量的资金做重复的事情呢?他们为什么不倾注所有的资源到一个探测器上,以确保CERN能尽快占领粒子物理领域的制高点?原因就是,一个科学的基本准则:实验结果必须能经过反复的验证。在前20年,美国和欧洲在粒子加速器领域的实力相当,彼此证实对方的实验结果。当美国在1993年放弃建造超级超导对撞机(该计划在已耗资20亿美元的情况下突然终止)计划后,欧洲的LHC便成了一枝独秀。因此,为了避免单个实验带来的偏差,CERN决定分别独立建造两台探测器,相互印证彼此的结果。
CMS——“紧凑μ子螺线管”
英国物理学家戴夫·巴尼(DaveBarney)告诉我,CMS是“紧凑μ子螺线管”的简称。螺线管的主体是一个圆柱形电磁体,以便在圆柱体内产生均匀的磁场——均匀的磁场更易于测量对撞机产生的粒子的动量。CMS长约12米,是世界上最大的超导螺线管,重约1250吨,其含铁量相当于一座艾菲尔铁塔。从外表看,CMS像一颗巨大的钢铁子弹,突兀在15米高的钢柱中央,周围布满了复杂的线路和各种仪器设备。
“这台机器产生的磁场极其强大,会使对撞机产生的新粒子喷流偏离轨迹,”巴尼说道。同时其周围的仪器可以测出这些粒子的轨迹、吸收它们的能量并记录下来,以判断这些新粒子的属性和来源。尽管此类粒子仅存世亿万分之一秒就会衰变,然而这对捕捉到它的踪迹而言已经足够了。
CMS的很多部件在地面上建造,随后这些部件分批由升降机送到地下。在地下我们看到,一些片状部件其形状就像未来的太空船,悄无声息地在我们身边升起,登上一个橙色的“气垫船”,慢慢地向远处移动。巴尼对我说:“你看这么多的机器在空中移动,就像身置‘星球大战’中的感觉!”
巴尼已经在CMS工作了十多年,他对此感到非常自豪。当提到他们的竞争对手ATLAS时,他半开玩笑地把它说成“敌人”。
ATLAS——“回型LHC装置”
ATLAS是“回型LHC装置”的缩写。来自密歇根大学的美国物理学家史蒂夫·戈德法布(SteveGoldfarb)对我说:“我向你展示一下什么才是真正的实验。”此时他正站在ATLAS机库的门边。与CMS不同的是(CMS使用一个致密的磁体包围着整个机器),ATLAS拥有大量的小磁体和一块很大的空白区域,便于粒子在磁体之间自由通过。ATLAS的优点是,不用建造超大型的螺线管;但缺点是,将会导致磁场变得极为复杂。然而,圆环型和漩涡型磁场会使粒子轨迹的计算成为棘手的问题;同样,多磁体也使得探测器过于庞大从而离地表更浅,但ATLAS不得不依样而建。
ATLAS地下建筑场面异常火热,不计其数的工人正在紧张地忙碌着。我们站平台上,与整台机器的中心在同一水平线上,当我们沿着探测器行走时,戈德法布向我介绍各种包裹着外壳的磁体:中央腔周围围绕着各种线缆,在意大利面条式的缠绕下几乎看不清其本来的面目;在中央腔的远端,是8个磁线圈的末端,每个末端都指向中央腔的中心。从外面看,就像是通向另一个宇宙的入口。
不论是ATLAS还是CMS,都需要将LHC中的粒子束汇聚成约2.5厘米大小的点,其过程使粒子间的碰撞、并产生新的超重粒子的几率大为增加。在碰撞的过程中,能量会转化为质量;参与转化的能量越大,则转化成的质量也越大。LHC提供的能量超过了以往任何一台加速器,届时预计会产生更多大质量的粒子。当然也包括了希格斯粒子。
来自数据计算的挑战
在大西洋彼岸的美国也不甘落后。在未来的几个月里,伊利诺斯州巴达维亚的费米实验室的万亿电子伏加速器,仍将是世界最强大的加速器。虽然,万亿电子伏加速器已经走到了生命的尽头,但它仍有希望赶在LHC之前找到希格斯粒子。万亿电子伏加速器真的有可能获胜吗?埃利斯说:“我觉得这对它是一个非常严峻的挑战。但就个人而言,我仍希望他们能够成功。对于一个理论家来说,任何一方取得成功都是一件值得庆贺的事情!”
在LHC,戈德法布对探测器的精准度大为感慨:“对于半个足球场大的机器,我们要掌握的精度细至一个人头发直径的大小!”他告诉我,每个探测器每秒钟要产生数十亿兆的数据。“其内存相当于每秒钟生产上万张DVD,我们不知道该如何消耗掉如此多的数据。”
首先必须对数据进行过滤。在钢筋混凝土防护墙的背后,有大量的计算机准备对原始的数据进行过滤。过滤后的数据将被输入到计算中心,到这里才是真正的数据分析的开始,而且两组的实验数据必须分开。计算机通讯负责人弗朗切斯·格蕾(FrancoisGrey)说:“我们绝不容许实验数据被互相窃用,我们希望看到的是绝对独立的实验。”
数据计算对实验自身来说是一个重要的挑战。而对于这样的项目,日后通常会作为典范被引用。追索到上一次的合作,CERN的科学家解决了粒子物理实验带来的大量计算问题,并由此产生了我们所熟悉的万维网。
戈德法布说:“你所见到的将是人类的一项伟大成果,并将更好地了解我们的宇宙。然而,现在仍有很多的数据有待我们去测量,希望从中探寻到更加朴素的定律,直至找到最基本的粒子。”
然而,如果ATLAS和CMS实验小组没有找到这种神秘的粒子与那个能解释一切的定律,那么,我们所做的一切还有意义吗?戈德法布说:“探测器也许就像一架新式的轰炸机,为的只是使轰炸更有威力;我们的唯一希望就是能更好地理解我们的宇宙,同时也希望有更多的人投入到这项有意义的工作中去。”
建于1971年至1974年的威尔逊大厦是美国费米实验室的行政大楼