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揭秘大强子对撞机

再现140亿年前宇宙大爆炸的大强子对撞机

再现140亿年前宇宙大爆炸的大强子对撞机

(swissinfo.ch)

欧洲核子中心位于日内瓦瑞法边境上的Meyrin小镇上,虽然入口在瑞士,但大部分都在法国境内。接待处大楼前一排笔直的旗杆上多国国旗辉映在蓝天雪山下。

欧洲核子中心自1954年成立以来,已经逐渐发展为国际合作的最好代表,已经有20个国家成为该中心的成员国,是世界最大的粒子物理科研中心。

在欧洲核子中心工作着来自世界各地的10000多名物理研究人员,其中200多名持中国护照,但并非全部来自中国的科研单位,有的是其他国家派驻的人员。任忠良博士就是在那里工作的一名中国研究员,在他的带领下,swissinfo.ch参观了欧洲核子中心。

大强子对撞机的原理

欧洲核子中心目前正在研究的一个重大项目就是利用大强子对撞机模拟140亿年前宇宙大爆炸时的情景,从而找出当时因爆炸产生的暗物质,探索暗能量和宇宙的起源及演化。
 
这是英国物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)的理论,他在上世纪六十年代提出了电弱理论中的对称破坏并解释了粒子质量的起源,他的这一论调作为电弱统一理论的支柱受到物理界的认可,但是这种以他名字Higgs命名的粒子,尚需证实。物理学家们认为宇宙中的暗能量或许由Higgs粒子组成。
 
这就是大强子对撞机模拟宇宙大爆炸的宗旨之一-找到Higgs粒子。然而大强子对撞机是怎样工作的呢,任研究员为我们这些物理学“门外汉”做了深入浅出的解释。他说:“将质子注入大强子对撞机中,并让两股从相反方向过来的质子束相互撞击,然后记录相撞产生的粒子数据。”
 
而为了让它们有足够的力量相撞,需要为这些质子加速。任研究员告诉我们:“大强子对撞机中的电流可高达13000安培。这是一股非常强大的电流。”目的是为了让质子束能够进行环形运动,而不是走直线,需要用磁场来控制,“因此就要用上超导,承载质子的管道外设有装满液态氦的管道,这样将温度控制在-271°C,从而产生强磁场。控制质子的运动方向。”
 
这是迄今为止世界上最大的强子对撞机,磁场达83000高斯(Gs),约为地球磁场的十六万倍。

在大强子对撞机启动试验之前,世间所流传的所谓“这个实验会造成黑洞,毁灭地球”的说法,用任研究员的话来说这纯属“偷换概念”,“因为即使可能,大强子对撞机产生的也是所谓微观粒子黑洞,其直径小于10的负15次方米,质量之低根本不足以毁灭地球。另外,宇宙中的极高能宇宙线时时刻刻都在轰击着地球,大多都会被大气层吸收或偏离流失,其能量要比大强子对撞机所能加速的质子能量高出数百万倍,而人类没有消失,地球仍然存在,也从反面证明大强子对撞机不可能毁灭地球。这里所做的试验是在微观世界中的一个试验,两股质子束其实只有头发丝那么粗,每股质子束的总能量也只可以熔化半吨铜材。”任研究员解释说。

大强子对撞机位于地下100-150米深处的一个长27公里的环形隧道中。在质子束相撞的地方,设置一个探测仪器,来收集、记录相撞所产生的粒子。2009年11月20日大强子对撞机首次试验成功,迄今物理学家们已经收集到并分析了大量质子-质子和铅-铅对撞事例数据,发现了所谓第四种物质形态-夸克胶子等离子体的实验证据,但是物理学家们要寻找的Higgs粒子和暗物质粒子尚未出现。

欧洲核子中心的工作

欧洲核子中心的研究耗资非常巨大,大强子对撞机启动一年需要耗资1亿瑞郎。那么如此之大的投资难道就是为了寻找一个未知的物质?

对此任忠良研究员告诉我们:欧洲核子中心的主要职能首先是寻找宇宙中一些未揭开秘密的答案并推动人类科技文化的发展,就是所谓的基础研究;在寻找过程中发展新科技,比如万维网就是当初为了存储数据、增强科研人员之间的沟通而发明的,现在已经成为人们工作生活无法缺少的工具;另外在寻找和研发过程中培养新一代科学工作者,目前在欧洲核子中心所从事的研究中,工作着大约3000名来自世界各国的博士研究生。

任研究员说:目前人类能观察到的宇宙星系只占宇宙总质量的5%,而欧洲核子中心就是在揭开宇宙之谜,找到人类之所以能够存在的原因。因为人只有对自己生存的环境有所了解才可以更好的发展。

希望中国加入

欧洲核子中心,现在已经拥有20个成员国,已经走向国际化。任研究员说:“欧洲核子中心非常希望中国成为成员国,因为中国经济发展迅速,中国的加入能为欧洲核子中心带来资金和人员。”

任研究员表示,中国目前比较注重新科技的应用,但是随着综合国力的发展,基础研究投入迅速增长。而面向未来的科学研究尤其有着深远的意义。

人类的渺小

参观了欧洲核子中心,会让人感到人是那么的渺小,在大强子对撞机面前,人只是一个弱小的“物体”,而在宇宙中人也就相当于一粒尘埃。

任研究员说,研究表明,我们的宇宙生存的年限已有140亿年。直观的想象是,宇宙大爆炸后迅速膨胀冷却,这种膨胀因为万有引力而减慢,最终停止并再次收缩。但实验观察表明宇宙膨胀不但没有减速,而且在加速。这就促成了宇宙暗能量存在的学说。寻找Higgs粒子或许能为暗能量学说提供科学线索。

世间一直有一种不成文的说法,当科技发展到一定地步,打破了自然规律的约束,会不会对自然界造成危害,导致地球乃至宇宙的毁灭,针对这个问题我们询问了任研究员,让他作为科学工作者表达自己的看法,他说:“科学研究会带来正面或负面的影响,比如核电站能解决用电问题,而核武器则会带来危害。这就需要道德法律的约束和科学工作者对社会的责任感。”

近些年常常出现这种危言耸听的关于世界末日的理论,那么我们人类真的在面临覆灭的危险吗?任研究员表示:“我们之所以能够生活在地球上,是受到地磁场和大气层的保护,否则宇宙线的辐射非常大,人类是无法承受的。根据地球物理学研究,地球的南北极有出现翻转的可能,在翻转过程中的某个时间点,地磁场有可能消失,那时候可能就会造成人类的毁灭。”

“还有说法称,这种情况有可能几十万年出现一次,具体多长时间尚无具体数字。”任研究员表示:“我们人类对我们存在的世界知之甚少,这就是基础研究的重要性”。

宇宙是神秘的,还有很多用现在的科技无法解释的困惑。因此就需要科学研究来进一步揭示谜底。人类只有对自己生存的环境加强了解,才能破除惶恐,在浩瀚的宇宙中安心地生活下去。

这就是欧洲核子中心的大强子对撞机耗巨额之资,探索宇宙奥秘的意义所在。

欧洲核子中心

成立于1954年,目的在于为欧洲国家开展以维护和平为前提的核子及粒子物理学研究创造条件。

通过它享誉世界的加速器“质子同步加速器”和“超质子同步加速器”,促进高能物理学领域的尖端研究,并不断地向人们展示未来的发展方向。

1998年开始制造一台大型强子对撞机,同时,它还进入了中微子物理学的研究领域。

2006年开展中微子物理学领域的科研活动。

2008年9月启动大强子对撞机,但因故障而停机一年。

2009年11月试验成功,记录下了很多有价值的数据。但尚未找到设想的Higgs粒子。

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任忠良简历

1963年出生于陕西。

1978.10 – 1988.10兰州大学原子核物理专业学士、硕士,助理研究员。

后来前往德国海德堡大学获博士学位。专业:核物理学及粒子物理学。

1988.1 – 1992.10获选世界实验室FBLJA/L3项目组研究员,在欧洲核子中心CERN工作。  

1992-1998年前后在德国马克斯普朗克学会核物理研究所、法国国家科研中心担任研究员。

1999.01至今,欧洲核子中心大强子对撞机ATLAS国际合作组研究员/AMS反物质磁谱仪国际合作组研究员。

此外,还兼任欧洲核子中心ATLAS国际合作组发言人及咨询委员会会员、意大利物理学会会员、山东大学兼职教授、山东大学博士生导师及全瑞士华人科技协会执委员。

科研项目:欧洲核子中心大强子对撞机ATLAS国际合作项目,及由著名华裔物理学家,诺贝尔奖获得者丁肇中院士领导的AMS太空反物质磁谱仪国际合作项目,计算网格国际合作项目。

论文论著:共计164篇。

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瑞士资讯swissinfo.ch


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