世界最大高能對撞機計畫起步

知識新知 09/01/2008


歐洲粒子物理中心的大強子對撞機,在八月下旬測試成功。雖然有人對其高能量的後果憂心忡忡,但是那裡的科學家信心滿滿。

八月二十二日,在瑞士日內瓦歐洲粒子物理中心的大強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC),四個大型粒子探測器中的一個,記錄到頭一個真實的訊號,物理學家在控制室中,追蹤測試中入射質子撞擊混泥土留下的碎片,一時之間,開香檳酒軟木塞的碰聲四起。

這個耗資三十億歐元,花了十五年才建造完成的大強子對撞機,要到九月十日才會注入質子束。但是這幾個月來,大強子對撞機的粒子探測器,已經記錄了許多宇宙線撞擊的訊號,八月下旬的測試,代表由對撞機所產生的粒子撞擊人造事例的成功。英國利物浦大學研究團隊領導者波庫克(Themis Bowcock)表示,看到第一個的大強子對撞機訊號,是十分奇妙的經驗,令人嘆為觀止。

但是要到十月裏,兩束反方向旋轉的質子束,繞過大強子對撞機二十七公里長的隧道迎面對撞,在很小的空間中匯集足夠高的能量,並且在稀薄空氣中產生基本粒子,才會產生頭一個有意義的物理數據。到明年春天,大強子對撞機會達到最高能量的十四兆電子伏特,這個能量比目前世界上能量最高,在美國伊利諾州費米實驗室的Tevatron加速器的能量,還要高過七倍。大強子對撞機的高能量,可以讓物理學家尋找傳說已久的希格斯波色子(Higgs Boson),一般認為這個粒子提供了粒子質量的來源。

碰撞的機會

八月下旬質子束入射測試的目的,是確保質子會受磁力作用從一個小的加速器(SPS)送出,這個小的加速器,是歐洲粒子物理中心將質子逐漸加速的許多加速器中的一環。為讓大強子對撞機能夠準確接到這個質子束,這一些加速器中的磁脈衝的同步性,必須在千萬分之一秒之內。

但是在大強子對撞機實驗b的科學家,是要由質量和反質量行為的些微差中,去探究B介子,他們把這一次測試也當作他們實驗的一個部分。經過一整個禮拜不眠不休的準備,在緊張的氣氛中等待,最後終於得到歐洲粒子物理中心的綠燈訊號,一切努力都是值得了。

八月二十二日下午五點二十,控制室中的物理學家,從SPS加速器發出數十億個質子,經過一個二點七公里的傳輸線,撞上放在大強子對撞機入口二十八噸重的混凝土準直儀,那個撞擊點正好在大強子對撞機實驗b探測器的上方兩百公尺。在這集線上所產生的緲子,將穿過這個阻障,沿著大強子對撞機軌道飛行,並且在一系列的矽晶定位儀產生電磁訊號,這可以追蹤質子和質子的撞擊到幾厘米的準確度。在歡呼和欣喜的氣氛中,實驗團隊的科學家在撞擊事例發生幾分鐘之內,就在電腦螢幕上,用軟體顯現出大約六個緲子的路徑。

這個實驗團隊的領隊,英國格拉斯高大學的帕奇斯(Chris Parkes)興奮的表示,這次測試比任何人所預期都要好。他認為這是「一個大的研究團隊十年努力的結果」。

把粒子射出來

在同一個時候,離開瑞士法國邊界十五分鐘車程,歐洲粒子物理中心泛著藍光的控制室中,香檳酒還放在冰桶裏。他們已經成功的將質子從SPS加速器打到大強子對撞機的入口,下一步就是把那個擋路的準直儀拿開,讓質子束以反時針的方向,直接注入大強子對撞機的軌道。

由於在八月初曾經嘗試過相反方向的質子束入射,現在他們解決一些軟體和計時問題,當天晚上也完成了反方向的完整測試。歐洲粒子物理中心操作組的柯利爾(Paul Collier)說,我們打開了蓋子,一切就順利的進行,整個機器的校準棒透了。

其他一些測試還繼續的進行,可以對質子束做更詳細的測量,並且給大強子對撞機實驗b提供更多訊息。這一次成功的測試,代表整個大強子對撞機的八分之一都已經經過質子束的測試,歐洲粒子物理中心的負責人信心滿滿,認為九月初一切都可以平穩上路。

歐洲粒子物理中心加速器和粒子束的主任邁爾斯(Steve Myers)告訴《自然》雜誌,「這些傢伙讓事情看起來很容易,其實不用給我們寫報告,只要把粒子射出來就行了。」

雖然還是有人擔心,這個加速器會引發小的黑洞並摧毀整個地球,但是顯然不是這些準備上路的科學家。
【知識通訊評論月刊七十一期】2008.09.01

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