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【亲历“世界最大科学实验”】 之 探测器

给“大爆炸”拍快照


LHCb探测器实验大楼。外墙由一位德国艺术家绘制。图/CERN

红色小瓶的氢质子的LHC之旅是这样的：经过反复加速，它们从主加速器开始做顺时针运动，分别经过ALICE、CMS、LHCb和ATLAS四个大站。每一站都装有最先进的“摄像头”，将两个质子束相撞的场景“拍摄”下来。

这个世界上最大的实验项目，寻找“襁褓”中的宇宙形态。质子束的对撞，产生了不同的亚原子粒子，就像宇宙“粒子汤”中的原料一样，它们也很快就衰变消失了。好在探测器可以把它们的踪迹和能量记录下来，找到或者令人满意，或令人吃惊的结果。

1 方法
抓住粒子的“尾巴”

围绕着加速器的，共有6个探测器实验。其中4个是主探测器。与加速器控制室相比，两个最大的探测器ALTAS和CMS的控制室都小得多，不过同样布满了展示各种图表和数据流的电脑屏幕。值班的科学家们安静地坐在各自的屏幕前。这些电脑控制着地底下高达几层楼，精细到毫米的巨大探测器。

控制室里，一位年轻的工程师紧盯着两个屏幕。他在LHC的唯一任务，就是等粒子束过来的时候，开启探测器。当然，程序软件是完全自动化的，他要做的仅仅是监督程序的运行。“就这么一个单一的工作，也是至关重要的。一点点差错就可能毁了整个实验或探测器。”来自葡萄牙的CMS实验项目协调员、满头黑发安德鲁·大卫（Andre David）说。


控制室里，一名工程师正紧盯着四个屏幕，他的唯一工作就是等待粒子束过来的时候，监督软件的自动开启。 本报记者 金煜 摄

探测器是最能体现国际合作的实验项目，每个项目都有上千来自世界各地的科学家参与。中国目前参与了4个主探测器的工作。在LHC，每个科学家各自做着自己分内的工作，同时也要肩负为实验融资的任务。

记者尝试让这里科学家来描述探测器的作用，有人将其比作“照相机”，有人将其比作“望远镜”，有人将其比作“显微镜”。那么探测器是如何进行观察甚至拍摄的呢？

飞机在空中划过，会留下一条轨迹。粒子同样如此。粒子的方向踪迹就可以告诉科学家很多信息，带正电和带负电的粒子会在超导磁场中向相反方向转弯，这就可以探测到它们的运动方向。再比如，粒子的动量是粒子质量和速度的结合，高动量的粒子几乎沿直线而行，而低动量的粒子转弯半径则小得多。通过层层的次探测器，科学家们可以捕捉到粒子的位置、电荷、速度、质量和能量。

2 设备
自备一个“对照组”

“LHC这么大能量的对撞机世界上只有一个。如果对撞出现了什么结果，需要互相验证，找谁验证呢？因此，CERN打造了两个结构和工作原理完全不同，但实验目的却类似的探测器，即 ALTAS和CMS。”站在控制室的互动屏幕前，为ALTAS工作的祁鸣向本报记者介绍。这两个是LHC最主要的探测器实验，又称“通用探测器”。

 ALTAS有7层楼高。内外两块巨大的磁铁像甜甜圈一样把粒子束的轨道包围起来。这是目前世界上最大的环形粒子探测器。这个超导磁铁系统可以储存16兆焦耳能量，足以把整座埃菲尔铁塔抬高16米。探测器里有着1亿个感应器，用来捕捉粒子的踪迹。2004年，印尼发生大地震并引发海啸。千里之外的ALTAS 探测器也感应到了海洋振动的频率。

而CMS探测器则只有一块巨型螺旋管式磁铁，但这块磁铁产生的磁场相当于地球磁场的10万倍。磁铁被一个外部巨大的“铁轭”包围，确保磁场可以延伸到所有的探测装置。整个探测器的重量相当于一座埃菲尔铁塔，所占空间却只有铁塔的1/400。

 â€œæˆ‘们的工作主要在这儿。”在轰隆作响的机器声中，来自华中师大的毛亚显手指宇宙演化图表中最前列的布满名为夸克、胶子的位置说。她为另一个主探测器“爱丽丝”（ALICE）工作。她所指的图表位置上，宇宙大爆炸像一碗浓密的混沌原始“汤”，这个状态叫做“夸克胶子等离子体”。和ALTAS与CMS不一样，略小、较新、被大红色磁铁包围的“爱丽丝”测量的是重离子对撞。

强核力像浆糊一样把质子和中子结合在原子核内，传递强核力的载体粒子叫做“胶子”。但在宇宙初期，因为高温，强核力的耦合变弱，导致夸克和胶子“满天飞”。不过，目前科学家从未单独观测到夸克，所以不知道为何夸克们会被强核力绑在一起。此外，质子和中子中只有三个夸克，占有其1%的质量，剩下99%的质量从何而来，科学界也一直没有形成定论。为了再现宇宙诞生百万分之一秒时的场景，“爱丽丝”的科学家们选择了铅离子束。铅的原子核带有208个质子和中子，粒子束碰撞后，会在很短时间内产生夸克、胶子。冷却时，新出现的2万种粒子会被“爱丽丝”的18个次级探测器探测到。

“不稳定的粒子会衰变。”毛亚显说，“粒子一层层地衰变，能量一级级地减少，直到最后停下来。每减速的时候就会留下轨迹，探测器就通过这些轨迹鉴定粒子的方向和能量。”“爱丽丝”和LHC的其他几个探测器一样都带有轨迹追踪装置和量身打造的量热仪，后者就像层层路障一样阻止住各级粒子，并获取其能量信息。

有意思的是，年轻的“爱丽丝”已经成了LHC的“后起之秀”。今年11 月，它们成功创造出了一个迷你版的“大爆炸”———形成一个高于太阳核心温度100万倍的火球，这正是夸克胶子等离子体组成的“混沌汤”，这个令人激动的实验结果让再次支持了标准模型理论，让科学家更逼近宇宙起源的真相。

3 理论
寻找最后的粒子

两个最大的探测器分布在环形加速器的对应上下两头，ALTAS在瑞士境内，CMS则位于法国小镇Mayrin上。“爱丽丝”居左，主要研究反物质的LHCb实验则靠近日内瓦湖右岸。不过，这里的实验离不开LHC主楼的那些狭小办公室———这是理论物理学家的“领土”。他们无需操纵巨大机器，只有纸笔和白板，在各自的头脑中构想出自己想象的宇宙初创时的画面。所有物理实验的设计和运行，都最初始于理论物理学家的思想头脑；同样，各种新的实验结果也给理论学家们新的启发。

在CERN标志性的建筑，原子形状的博物馆中，用令人吃惊的全维度互动多媒体设备展示了这些理论学家们构想的“大爆炸”场景。最初的宇宙是一个巨大的能量的火球，温度达到大约1000亿℃。冷却过程中，能量才变成了质量，原子逐渐形成。这个大爆炸就是目前现有的标准模型理论所设想的宇宙诞生场面。这个理论从上世纪60年代开始发展起来，成为目前人类解释世界物质存在和运行方式最好的理论。目前CERN的理论和实验科学家们，都是围绕着这个理论在打转。

从上世纪开始，人们开始逐渐发现原子内部的物质，发现了一个接一个的粒子：上夸克、下夸克、电子、光子、中微子、W+，W-粒子……这些粒子中，有些组成物质，叫做“费米子”；也有与其说是物质粒子，不如说是负责传递各种作用力的“粒子”，叫做“中间玻色子”。通过实验，人们找到了标准模型预言的61个粒子中的60个。

尽管不断被验证，但有一些最基本的问题，标准模型仍然没法解释。比如，所有的物质都应该有质量，但到底什么是质量，为什么有的粒子重，有的粒子轻？这个理论，在一些地方肯定出错了或者不完整。最后剩下的那个没找到的粒子或许可以给出答案。

对此，英国著名物理学家希格斯提出，宇宙可能存在一个场，粒子像鱼一样在其中“游泳”。一些粒子如电子取得了质量，而一些粒子如光子，因为没有互相作用而没有取得质量，只是以光速穿越宇宙。这就是“希格斯场”。它由构想中的希格斯子组成。希格斯子被认为是标准模型中预测的最后一个粒子。寻找希格斯子，也是 LHC以及两个主要探测器最首要的任务。

按照标准模型的计算，希格斯子的能量在120GeV到200GeV之间。LHC的加速器正是照此设计的。“实验只有两个可能，找到或者找不到希格斯子。”祁鸣说，“美国的费米实验室是唯一找到希格斯子踪迹的，但没法验证。如果LHC找到了希格斯子或者类似希格斯子的东西，那将证实标准模型。如果找不到，那就像霍金说的，根本不存在希格斯子，标准模型就是错的，需要重写。那整个物理世界就要重新搞一套模型来解释客观世界。”

实际上，标准模型很好地解释了微观层面的三个力，如令核子黏合在一起的强核力，让电子围绕原子核运转的电磁力，还有解释原子放射性衰变的弱力。但爱因斯坦在相对论中漂亮地解释了天体互动的引力却没法和量子世界的标准模型结合起来。为此，理论物理学家们提出了“大统一理论”的想法，试图将万有引力引入了解释微观世界的标准模型。他们的这个理论是否靠谱，唯一的验证也只有等LHC的实验完成了才知道。

本版采写/本报记者 金煜

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