【親歷“世界最大科學(xué)實(shí)驗(yàn)”】 之 探測(cè)器

給“大爆炸”拍快照

LHCb探測(cè)器實(shí)驗(yàn)大樓。外墻由一位德國(guó)藝術(shù)家繪制。圖/CERN

紅色小瓶的質(zhì)子的LHC之旅是這樣的：經(jīng)過(guò)反復(fù)加速，它們從主加速器開(kāi)始做順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，分別經(jīng)過(guò)ALICE、CMS、LHCb和ATLAS四個(gè)大站。每一站都裝有最先進(jìn)的“攝像頭”，將兩個(gè)質(zhì)子束相撞的場(chǎng)景“拍攝”下來(lái)。

這個(gè)世界上最大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，尋找“襁褓”中的宇宙形態(tài)。質(zhì)子束的對(duì)撞，產(chǎn)生了不同的亞原子粒子，就像宇宙“粒子湯”中的原料一樣，它們也很快就衰變消失了。好在探測(cè)器可以把它們的蹤跡和能量記錄下來(lái)，找到或者令人滿意，或令人吃驚的結(jié)果。

1 方法
抓住粒子的“尾巴”

圍繞著加速器的，共有6個(gè)探測(cè)器實(shí)驗(yàn)。其中4個(gè)是主探測(cè)器。與加速器控制室相比，兩個(gè)最大的探測(cè)器ALTAS和CMS的控制室都小得多，不過(guò)同樣布滿了展示各種圖表和數(shù)據(jù)流的電腦屏幕。值班的科學(xué)家們安靜地坐在各自的屏幕前。這些電腦控制著地底下高達(dá)幾層樓，精細(xì)到毫米的巨大探測(cè)器。

控制室里，一位年輕的工程師緊盯著兩個(gè)屏幕。他在LHC的唯一任務(wù)，就是等粒子束過(guò)來(lái)的時(shí)候，開(kāi)啟探測(cè)器。當(dāng)然，程序軟件是完全自動(dòng)化的，他要做的僅僅是監(jiān)督程序的運(yùn)行?！熬瓦@么一個(gè)單一的工作，也是至關(guān)重要的。一點(diǎn)點(diǎn)差錯(cuò)就可能毀了整個(gè)實(shí)驗(yàn)或探測(cè)器。”來(lái)自葡萄牙的CMS實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目協(xié)調(diào)員、滿頭黑發(fā)安德魯·大衛(wèi)（Andre David）說(shuō)。

控制室里，一名工程師正緊盯著四個(gè)屏幕， 他的唯一工作就是等待粒子束過(guò)來(lái)的時(shí)候，監(jiān)督軟件的自動(dòng)開(kāi)啟。 本報(bào)記者 金煜 攝

探測(cè)器是最能體現(xiàn)國(guó)際合作的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目都有上千來(lái)自世界各地的科學(xué)家參與。中國(guó)目前參與了4個(gè)主探測(cè)器的工作。在LHC，每個(gè)科學(xué)家各自做著自己分內(nèi)的工作，同時(shí)也要肩負(fù)為實(shí)驗(yàn)融資的任務(wù)。

記者嘗試讓這里科學(xué)家來(lái)描述探測(cè)器的作用，有人將其比作“照相機(jī)”，有人將其比作“望遠(yuǎn)鏡”，有人將其比作“顯微鏡”。那么探測(cè)器是如何進(jìn)行觀察甚至拍攝的呢？

飛機(jī)在空中劃過(guò)，會(huì)留下一條軌跡。粒子同樣如此。粒子的方向蹤跡就可以告訴科學(xué)家很多信息，帶正電和帶負(fù)電的粒子會(huì)在超導(dǎo)磁場(chǎng)中向相反方向轉(zhuǎn)彎，這就可以探測(cè)到它們的運(yùn)動(dòng)方向。再比如，粒子的動(dòng)量是粒子質(zhì)量和速度的結(jié)合，高動(dòng)量的粒子幾乎沿直線而行，而低動(dòng)量的粒子轉(zhuǎn)彎半徑則小得多。通過(guò)層層的次探測(cè)器，科學(xué)家們可以捕捉到粒子的位置、電荷、速度、質(zhì)量和能量。

2 設(shè)備
自備一個(gè)“對(duì)照組”

“LHC這么大能量的對(duì)撞機(jī)世界上只有一個(gè)。如果對(duì)撞出現(xiàn)了什么結(jié)果，需要互相驗(yàn)證，找誰(shuí)驗(yàn)證呢？因此，CERN打造了兩個(gè)結(jié)構(gòu)和工作原理完全不同，但實(shí)驗(yàn)?zāi)康膮s類似的探測(cè)器，即 ALTAS和CMS。”站在控制室的互動(dòng)屏幕前，為ALTAS工作的祁鳴向本報(bào)記者介紹。這兩個(gè)是LHC最主要的探測(cè)器實(shí)驗(yàn)，又稱“通用探測(cè)器”。

ALTAS有7層樓高。內(nèi)外兩塊巨大的磁鐵像甜甜圈一樣把粒子束的軌道包圍起來(lái)。這是目前世界上最大的環(huán)形粒子探測(cè)器。這個(gè)超導(dǎo)磁鐵系統(tǒng)可以儲(chǔ)存16兆焦耳能量，足以把整座埃菲爾鐵塔抬高16米。探測(cè)器里有著1億個(gè)感應(yīng)器，用來(lái)捕捉粒子的蹤跡。2004年，印尼發(fā)生大地震并引發(fā)海嘯。千里之外的ALTAS 探測(cè)器也感應(yīng)到了海洋振動(dòng)的頻率。

而CMS探測(cè)器則只有一塊巨型螺旋管式磁鐵，但這塊磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)相當(dāng)于地球磁場(chǎng)的10萬(wàn)倍。磁鐵被一個(gè)外部巨大的“鐵軛”包圍，確保磁場(chǎng)可以延伸到所有的探測(cè)裝置。整個(gè)探測(cè)器的重量相當(dāng)于一座埃菲爾鐵塔，所占空間卻只有鐵塔的1/400。

“我們的工作主要在這兒。”在轟隆作響的機(jī)器聲中，來(lái)自華中師大的毛亞顯手指宇宙演化圖表中最前列的布滿名為夸克、膠子的位置說(shuō)。她為另一個(gè)主探測(cè)器“愛(ài)麗絲”（ALICE）工作。她所指的圖表位置上，宇宙大爆炸像一碗濃密的混沌原始“湯”，這個(gè)狀態(tài)叫做“夸克膠子等離子體”。和ALTAS與 CMS不一樣，略小、較新、被大紅色磁鐵包圍的“愛(ài)麗絲”測(cè)量的是重離子對(duì)撞。

強(qiáng)核力像漿糊一樣把質(zhì)子和中子結(jié)合在原子核內(nèi)，傳遞強(qiáng)核力的載體粒子叫做“膠子”。但在宇宙初期，因?yàn)楦邷?，?qiáng)核力的耦合變?nèi)?，?dǎo)致夸克和膠子“滿天飛”。不過(guò)，目前科學(xué)家從未單獨(dú)觀測(cè)到夸克，所以不知道為何夸克們會(huì)被強(qiáng)核力綁在一起。此外，質(zhì)子和中子中只有三個(gè)夸克，占有其1%的質(zhì)量，剩下99%的質(zhì)量從何而來(lái)，科學(xué)界也一直沒(méi)有形成定論。為了再現(xiàn)宇宙誕生百萬(wàn)分之一秒時(shí)的場(chǎng)景，“愛(ài)麗絲”的科學(xué)家們選擇了鉛離子束。鉛的原子核帶有208個(gè)質(zhì)子和中子，粒子束碰撞后，會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生夸克、膠子。冷卻時(shí)，新出現(xiàn)的2萬(wàn)種粒子會(huì)被“愛(ài)麗絲”的18個(gè)次級(jí)探測(cè)器探測(cè)到。

“不穩(wěn)定的粒子會(huì)衰變。”毛亞顯說(shuō)，“粒子一層層地衰變，能量一級(jí)級(jí)地減少，直到最后停下來(lái)。每減速的時(shí)候就會(huì)留下軌跡，探測(cè)器就通過(guò)這些軌跡鑒定粒子的方向和能量。”“愛(ài)麗絲”和LHC的其他幾個(gè)探測(cè)器一樣都帶有軌跡追蹤裝置和量身打造的量熱儀，后者就像層層路障一樣阻止住各級(jí)粒子，并獲取其能量信息。

有意思的是，年輕的“愛(ài)麗絲”已經(jīng)成了LHC的“后起之秀”。今年11 月，它們成功創(chuàng)造出了一個(gè)迷你版的“大爆炸”———形成一個(gè)高于太陽(yáng)核心溫度100萬(wàn)倍的火球，這正是夸克膠子等離子體組成的“混沌湯”，這個(gè)令人激動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓再次支持了標(biāo)準(zhǔn)模型理論，讓科學(xué)家更逼近宇宙起源的真相。

3 理論
尋找最后的粒子

兩個(gè)最大的探測(cè)器分布在環(huán)形加速器的對(duì)應(yīng)上下兩頭，ALTAS在瑞士境內(nèi)，CMS則位于法國(guó)小鎮(zhèn)Mayrin上?！皭?ài)麗絲”居左，主要研究反物質(zhì)的 LHCb實(shí)驗(yàn)則靠近日內(nèi)瓦湖右岸。不過(guò)，這里的實(shí)驗(yàn)離不開(kāi)LHC主樓的那些狹小辦公室———這是理論物理學(xué)家的“領(lǐng)土”。他們無(wú)需操縱巨大機(jī)器，只有紙筆和白板，在各自的頭腦中構(gòu)想出自己想象的宇宙初創(chuàng)時(shí)的畫面。所有物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，都最初始于理論物理學(xué)家的思想頭腦；同樣，各種新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也給理論學(xué)家們新的啟發(fā)。

在CERN標(biāo)志性的建筑，原子形狀的博物館中，用令人吃驚的全維度互動(dòng)多媒體設(shè)備展示了這些理論學(xué)家們構(gòu)想的“大爆炸”場(chǎng)景。最初的宇宙是一個(gè)巨大的能量的火球，溫度達(dá)到大約1000億℃。冷卻過(guò)程中，能量才變成了質(zhì)量，原子逐漸形成。這個(gè)大爆炸就是目前現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型理論所設(shè)想的宇宙誕生場(chǎng)面。這個(gè)理論從上世紀(jì)60年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，成為目前人類解釋世界物質(zhì)存在和運(yùn)行方式最好的理論。目前CERN的理論和實(shí)驗(yàn)科學(xué)家們，都是圍繞著這個(gè)理論在打轉(zhuǎn)。

從上世紀(jì)開(kāi)始，人們開(kāi)始逐漸發(fā)現(xiàn)原子內(nèi)部的物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)接一個(gè)的粒子：上夸克、下夸克、電子、光子、中微子、W+，W-粒子……這些粒子中，有些組成物質(zhì)，叫做“費(fèi)米子”；也有與其說(shuō)是物質(zhì)粒子，不如說(shuō)是負(fù)責(zé)傳遞各種作用力的“粒子”，叫做“中間玻色子”。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，人們找到了標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的61個(gè)粒子中的60個(gè)。

盡管不斷被驗(yàn)證，但有一些最基本的問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)模型仍然沒(méi)法解釋。比如，所有的物質(zhì)都應(yīng)該有質(zhì)量，但到底什么是質(zhì)量，為什么有的粒子重，有的粒子輕？這個(gè)理論，在一些地方肯定出錯(cuò)了或者不完整。最后剩下的那個(gè)沒(méi)找到的粒子或許可以給出答案。

對(duì)此，英國(guó)著名物理學(xué)家希格斯提出，宇宙可能存在一個(gè)場(chǎng)，粒子像魚(yú)一樣在其中“游泳”。一些粒子如電子取得了質(zhì)量，而一些粒子如光子，因?yàn)闆](méi)有互相作用而沒(méi)有取得質(zhì)量，只是以光速穿越宇宙。這就是“希格斯場(chǎng)”。它由構(gòu)想中的希格斯子組成。希格斯子被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)模型中預(yù)測(cè)的最后一個(gè)粒子。尋找希格斯子，也是 LHC以及兩個(gè)主要探測(cè)器最首要的任務(wù)。

按照標(biāo)準(zhǔn)模型的計(jì)算，希格斯子的能量在120GeV到200GeV之間。LHC的加速器正是照此設(shè)計(jì)的?！皩?shí)驗(yàn)只有兩個(gè)可能，找到或者找不到希格斯子。” 祁鳴說(shuō)，“美國(guó)的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室是唯一找到希格斯子蹤跡的，但沒(méi)法驗(yàn)證。如果LHC找到了希格斯子或者類似希格斯子的東西，那將證實(shí)標(biāo)準(zhǔn)模型。如果找不到，那就像霍金說(shuō)的，根本不存在希格斯子，標(biāo)準(zhǔn)模型就是錯(cuò)的，需要重寫。那整個(gè)物理世界就要重新搞一套模型來(lái)解釋客觀世界?！?/p>

實(shí)際上，標(biāo)準(zhǔn)模型很好地解釋了微觀層面的三個(gè)力，如令核子黏合在一起的強(qiáng)核力，讓電子圍繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)的電磁力，還有解釋原子放射性衰變的弱力。但愛(ài)因斯坦在相對(duì)論中漂亮地解釋了天體互動(dòng)的引力卻沒(méi)法和量子世界的標(biāo)準(zhǔn)模型結(jié)合起來(lái)。為此，理論物理學(xué)家們提出了“大統(tǒng)一理論”的想法，試圖將萬(wàn)有引力引入了解釋微觀世界的標(biāo)準(zhǔn)模型。他們的這個(gè)理論是否靠譜，唯一的驗(yàn)證也只有等LHC的實(shí)驗(yàn)完成了才知道。

本版采寫/本報(bào)記者 金煜