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【亲历“世界最大科学实验”】 之 加速器

加速器:离光速最近之地

“让粒子束飞”


CERN主楼前的咖啡店。天气好的时候,科学家们总喜欢坐在这里聊工作,旁边是一节象征性的蓝色加速器管道标志,上写:“加速·科学”。

透过两扇紧闭的玻璃门,隐约可以看到一个不起眼的红色小瓶,上面标着不起眼的“H2”字样。旁边墙上的黄色标识就比较引人注意了:“注意!危险!100千伏!”世界上没几个人能接近这个小瓶,再往前走就会看到“禁止进入”的标牌、深入地下的电梯,以及一般公众只能在好莱坞大片里才能见到的虹膜扫描仪。

这是LHC加速器入口。它是所有物理学家全情依赖的“粒子提供者”,长达27千米:目前世界上能量最高的加速器、世界上最大的超导磁铁用户、世界上最大的制冷机……然而,其最核心的部分却只是两根几厘米宽的管道,管道内的物质则更小。它们全部来自于那个红色小瓶里的氢。

粒子束
14只蚊子一起飞

这个红色小瓶是一切的开始。氢原子的原子核内只有一个质子,还有一个电子围绕着它旋转。红色小瓶中带有一个强大的电荷“剥离器”,先将氢原子核和电子分离,然后去除电子,只留下质子。这些质子将成为几十年中加速运动和无数科学实验的主角。

质子必须在多个小型加速器中反复加速,最后才进入最大的环形加速器。LHC的营造者欧洲粒子物理研究所(CERN)从半世纪前就开始建造的各种“元老级” 加速器都被利用了起来,成为连锁发射器。质子先在一个电场里呼啸而过,在进入直线加速器之前,就已经达到了每秒4000千米的速度。此后,粒子们先后驶过多个环形的加速器,一层接一层地加速。最终,几十亿个粒子以成团形式分两个方向正式登场,进入最后的大加速器,其速度达到光速的99.99%。每个粒子束以3000个“团”的形式飞驰,两个束相向而飞,每团粒子的数量达到1000亿。

粒子的能量可以通过加速取得。在粒子物理学中,粒子的能量是用电子伏特来表示的。一个电荷为1的粒子在一个1伏特电压中加速后会获得一个电子伏特的能量。在LHC 中,粒子速度接近光速,每个粒子束将达到7万亿电子伏特,术语称为“TeV”。在宏观世界中,这个能量非常小,只相当于1只飞行的蚊子产生的动能。当两个粒子对撞的时候,则会产生总能量为14TeV的能量,也就是14只飞行的蚊子的动能之和。尽管如此,它还是世界上能量最大的加速器。

“按照目前理论科学家的计算,粒子对撞产生的14TeV的能量,就在希格斯子出现的能量范围内。幸运的话,人类将可以找到希格斯子。”在CERN工作10多年的南京大学教授祁鸣说。

控制室
充满喜怒哀乐的地方


加速器中心控制室约有小礼堂大小,四个工作角里,电脑屏幕像墙一样叠起来,一些人紧盯屏幕,一些椅子空着,一些人则用法语或英语在交流。此时,一人手持图表匆匆走进,几个人从四个方向聚了过来,神色凝重。“这可能是束流损失。”低语中漏出来这么一句。

卷着白衬衫袖子的保罗(Paul Collier)过去看了一下,总结道“并不是很严重”。这名行事干练,在CERN工作20多年的英国人从两年前开始任质子束部主任,如果把加速器比喻成火箭的话,保罗手下的400人就像是坐在火箭座舱内,驾驶着粒子束前进。LHC由一组加速器和四个主探测器组成。“我们像是供应商,给做实验的科学家客户们提供粒子束。”保罗笑道。当天早上,出于检修目的,粒子束没有运行,没有粒子的时候,物理学家所做的也只能是等待。

两个粒子之间碰到的几率是很低的。2000亿个粒子可能只产生20次相撞。全球的粒子物理学家都在寻找希格斯子,但是方法不一样,物理学家会把找到希格斯子比喻成“彩票中奖”,大部分的加速器都是在较为低的能区做无限次地粒子碰撞,中奖的概率相当低。而CERN则采取了另一个策略———提高碰撞的强度,这需要对整个加速器和探测器进行设备更新,需要更强大的超导磁铁,更精细的探测器,这意味着非常多的资金和好几年的更新维修。

2008 年,LHC开始进行质子对撞。大家都抱着极大的期望,媒体宣传也是铺天盖地。当开启加速器运行的那个时刻,这儿的所有人都在鼓掌。可打击随即出现。运行不到一周,LHC便发生了严重事故。一小段超导磁铁接触不良,在高电流通过的情况下造成损毁,导致40多块磁铁需要更换。这么一个小事故,使得整个实验停顿下来,此后的整整一年,物理学家几乎无事可做,唯一能做的就是等待工程师修复加速器了。

“那是我们所有人最难熬的时间。我们以为一切都在控制之中了,但的确灾难性的问题发生了。”回忆当时,保罗的表情变得严肃起来,“我们吸收了很多经验,我们修复了问题,重新设计了安全控制系统,最重要的是,我们意识到LHC的力量。我们应该尊重粒子束。这次事故给了我们哲学,让我们变得异常仔细。”

增能法
或更大,或更强

“要想提高环形加速器中粒子的能量,有两个方法。”保罗介绍,和人驾车一样,总是偏向于直线,如果要转弯则需要外力,粒子也是一样,总是沿直线前进,如果要让粒子打转,在环形加速器中加速,则需要特定的磁场来引导其转弯。另一个方法,就是增加距离,在更大的加速器中,粒子飞行长度越远,增加的能量也越大。

人类没法打造一个银河般大小的加速器,在地球上,因为对撞时粒子衰变产生了轻度的辐射,加速器必须建在地下,用岩石来阻隔辐射。而挖隧道却是非常昂贵的,这就是为什么美国的项目花费会失去了控制。LHC的优势在于,CERN从上世纪50年代便开始建造诸多的加速器。他们有着现成的隧道可以用。但要提高粒子的能量,唯一的办法就是提高超导磁铁的性能,因为粒子飞行能量越大,就越需要强大的超导磁铁来引导其转弯。LHC目前有6000多块磁铁,是世界上最大的超导磁铁使用者。超导磁铁必须冷却,这个加速器也是世界上最大的“制冷机”。

“我们接下来还要增加2TeV,粒子能量的增加意味着磁铁超导性能也需增加。这给我们的挑战就是,要推动现有的技术进步。”保罗说。目前,LHC已经在使用世界上最好的超导技术了,但是如果要进一步提高能量,则需要推动工业里的技术再进一步提高。

现在,也有人在谈论,环形加速器之后的下一代,可能是直线加速器。目前,包括中国在内很多国家都在构想下一代的大型加速器。CERN内部也有着同样的构想。保罗介绍说,和环形加速器相比,直线加速器的优势在于,不需要超导磁铁来引导粒子转弯,不会出现很大的粒子束损耗,但它没法像环形加速器一样反复地加速,慢慢地达到很高能量,而是必须在很短时间内就达到高能。

飞行环境
“一无所有”

“欢迎来到测试房。”法国人卢卡(Luca Bottura)微笑着对记者说,他递给了记者一小条“折”成花状的磁铁。在布满氮气管,加速器管道、高压电伏设备,满是“滋滋”电焊声的测试房中,他向记者介绍了传说中的超导磁铁等地下实验装置。

一个正待测试的加速器管道横截面展示了秘密:圆形轨道由磁偶极包围。磁偶极相当于一个封闭的电流环流,两端电荷电量相当,正负相反,因此产生电流环流。在其作用下,粒子会发生偏转。这些磁偶极由极细的超导金属线缠绕而成,每根都仅有人类头发十分之一之细。所有的磁偶极都必须极其精确地缠绕,只要一点点错位,就会导致热量的损耗,出现故障。这些磁铁也是整个LHC造价中最昂贵的部分,达到了总造价的20%到25%。

这些磁铁原本是普通的磁铁,但是在极低温下,会变成强大的超导磁铁,产生强大的吸力。不过,超导只能在极其低温的环境下实现。因此,在两个粒子束轨道上方,还设有一个液态氦管道。LHC使用了130吨的氦。液氦在-271℃的温度下,会呈现出带特殊性能的超流态。这仅与绝对零度相差两度。

每立方米的空气平均含有3*10^21个原子。如果轨道中有空气,那么这些原子也会影响粒子的穿梭。因此,需要将轨道中抽成真空。卢卡说,在此状态下,总提及11万立方米的加速器管道中,只有1亿个左右的原子。这就相当于把地球上一兆亿个蚂蚁抽空,只剩下1000个左右。

这样低温、几近真空的环境,让粒子可以随意飞行,但也使得技术人员无法随意打开管道———因为每次打开管道,就意味着需要花大量时间升到常温,然后再降温,抽取空气。万一管道被堵塞了该怎么办呢?“有一些极其聪明的天才们想出了一个方法,把一个带电的乒乓球打进加速器,把堵塞物打开,如果也堵住了,再打进一个乒乓球,把前面一个乒乓球打掉,同时也开通了道路。”卢卡笑着说,“我想这是LHC有史以来第一个对撞。”

【新知补丁】

希格斯子Higgs boson

也称希格斯玻色子。粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子,至今尚未在实验中观察到。它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。由英国物理学家希格斯提出。建造LHC的目的主要目的,就是验证希格斯子是否存在。物理学家霍金就认为希格斯子并不存在。他们两人甚至就此问题发生争吵。霍金为此发起了一个100美元的赌局。

本版图文/本报记者 金煜

特别鸣谢:samlinlin

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14 Responses to “【亲历“世界最大科学实验”】二、 “让粒子束飞””

  1. wanggb说道:

    “每立方米的空气平均含有3021个原子。”

    这一部分的数字是不是有问题?
    这段后面也有几个错字,嗯

  2. zmn0079说道:

    让粒子束飞很容易---by 钢铁侠

  3. bobo说道:

    乒乓球怎么带电

  4. samlinlin说道:

    作为一个参加过LHC部分工作的加速器工作者,这文章里的错误未免多了点。。。

    别的不说,至少液氦不该写成液氮吧。。。

  5. biohu说道:

    液氮在-271℃的温度下,会呈现出带特殊性能的超液态。
    改成
    液氦在-271℃的温度下,会呈现出带特殊性能的超流态。

  6. 游识猷说道:

    液氦问题已经更正,谢谢楼上诸位的指正。

  7. ttt说道:

    不都抽成真空了么,还怎么堵塞?

  8. zhuanji说道:

    呵呵,看起来和新奇啊

  9. 游识猷说道:

    根据samlinlin的意见进行了一些修正,非常感谢他的帮助!

  10. 科学很神秘 很强大

  11. 秋水仙素说道:

    让粒子束再飞一会儿

  12. leekeke说道:

    99.9%光速,要是做成电磁炮的话直接把登月舱打到月球上去

    • nevets说道:

      后坐力可以直接把地球炸开,且高能扩散的碎片可以把整个太阳系的行星全数击毁吧。

      • nevets说道:

        因为这基本就等于一个99.9%光速的子弹击中地球。
        难道就是大刘说的光粒??

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