离子对撞机追寻质量的起源 揭秘欧洲大型强子对撞机

地球上最大的“粒子粉碎机”一路走来可谓多灾多难，又遇到了麻烦。两位美国公民日前对欧洲大型强子对撞机（LHC）计划提出了诉讼，要求推迟这一“粒子粉碎机”开动的时间。他们声称，LHC可能产生危险的粒子或者微型黑洞，从而毁灭整个地球。

建造在瑞士欧洲粒子物理中心（CERN）的LHC眼看就要完工了，科学家希望它能开始运行。然而，3月21日，居住在夏威夷的Luis Sancho和Walter Wagner针对CERN和美国一些科研机构，向美国联邦地方法院提出了诉讼，要求在安全性得到证实之前，不启动LHC对撞计划。他们点名的美国科研机构包括能源部、国家自然科学基金会和芝加哥附近的费米实验室。

美国能源部和费米实验室不会对此发表评论，它们坚持认为这是一项应由司法部处理的法律案件。而CERN的一位发言人James Gillies则表示，这项诉讼要求是“彻底的胡说”。“LHC创造出各种关于宇宙的激动人心的新物理学认识。”他补充道，“从开始一年之后，世界还在那里。”

LHC将把质子加速到具有巨大的能量并进行对撞“粉碎”，从而模拟大爆炸后不足十亿分之一秒的情况。物理学家希望借此来解开长期以来的重大和基本难题，比如粒子为何存在质量（即验证希波斯粒子 即上帝粒子）、空间是否隐藏着额外的维度等等。

然而，Sancho和Wagner的诉讼提出了一些理论假想――LHC可能制造出吞没地球粒子，比如“杀手奇异子”（一种包含非通常夸克的假想粒子物质）。如果一种奇异子十分稳定并且带有负电，那它们就有可能“吃”普通物质的核子，并将其转变为奇怪的物质。最终，一系列危险的连锁反应会毁灭整个地球和每一个人。

实际上，2003年关于LHC安全性的评审报告就认为，“它没有导致任何可能的威胁出现的基础”。尽管该报告承认，该加速器有微小几率能创造出短暂的迷你黑洞或者磁单极子，从而破坏普通原子的质子，但它得出结论认为，任何一种假想的情况都不会导致灾难。而一个更新版本的安全评估报告很快也会发布，此外，物理学家还打算在4月6日CERN的一个招待会上讨论安全性问题。事实上，在美国Brookhaven国家实验室当年兴建“相对论重离子对撞机”（RHIC）时，Wagner就提出过类似的利害关系。Gillies说：“RHIC于2000年就开始运行了，我们还不是好好的。”此外，他补充道，比LHC高得多的能量碰撞在自然界也频繁发生，宇宙射线粒子能以接近光速穿过银河系周围。月球已经经历了50亿年的这种碰撞影响，也没有被哪个贪婪的黑洞或者杀手奇异子毁灭。

然而，Sancho和Wagner认为，CERN的安全性评审“马马虎虎”，低估了潜在风险，而且上述的宇宙射线辩解也是误导性的。他们在诉讼文件中称：“被告不经意间将创造出一种危险的物质形式……或者不安全的物理学环境状态，这种影响在范围上可能同是局部和国家层面的，并且波及每一个人。这是毫无疑问的。”

大型强子对撞机磁体高16米，长、宽均有10多米，重达1920吨。工程技术人员专门建造了一个巨型吊架，用4根粗钢缆吊住这个磁体，借助液压顶泵将磁体缓慢放入隧道。它长达27公里的环形隧道可被用来加速粒子，使其相撞，创造出与宇宙大爆炸万亿分之一秒时类似的状态。在高能物理实验中，粒子加速器和探测器是常用设备。探测器用来探测碰撞产生的微小粒子，记录粒子能量、质量等信息。强子对撞机上共有4个对撞点，各装有一个探测器，其中一个为CMS(紧凑型μ介子螺线管)探测器。

自从1980年“大型强子对撞机”的构想首度出现以来，历经近30年，这一“世界上最大的机器”终于从梦想成为现实，即将于9月开始投入运行。现撷取一些有关它的数据“之最”，记录如下：

离子对撞机世界上最大的机器

“大型强子对撞机”不仅是世界上最大的粒子加速器，而且也是世界上最大的机器。它位于瑞士、法国边境地区的地下100米深的环形隧道中，隧道全长26.659公里。

离子对撞机地球上最快的“轨道”

如果“开足马力”，数以百万计的粒子将在环形隧道内以每秒11245圈的速度“狂飙”，约等于光速的99.99%。

离子对撞机太阳系中最“空旷”的地方

为避免粒子流与气体分子发生碰撞，粒子流都在超高真空的“通道”内运行，其间如同星际空间一样“空旷”，气压仅为10的负13次方个标准大气压，比月球上的大气压还小10倍。

离子对撞机最热与最冷的机器

大型强子对撞机是个既极端热又极端冷的机器。当两束粒子流对撞的时候，碰撞点将产生极端高温，可以达到太阳中心温度的10万倍。而与之形成鲜明对比的是，由于采用了超流体氦冷却等手段，对撞机中粒子运行的加速腔在工作时的温度仅为零下271.3摄氏度（1.9开），比遥远的太空还要冷。

离子对撞机全球最强大的超级计算机系统

大型强子对撞机上进行的每一个大型试验一年所获得的数据，可以刻满十万张双层DVD。为了对这些数据进行分析，世界各地成千上万名科学家都参与进来，他们所使用的数万台甚至数十万台计算机借助分布式计算网络（网格计算）联合在一起，这也构成了全球最强大的超级计算机系统。

人们早已发现，自然界中物体之间千差万别的相互作用，可以简单划分为4种力：即引力、电磁力、维持原子核的强作用力和产生放射衰变的弱作用力。在爱因斯坦的相对论解决了重力问题后，人们开始尝试建立一个统一的模型，以期解释通过后3种力相互作用的所有粒子。

经过长期研究和探索，科学家们建立起被称为“标准模型”的粒子物理学理论，它把基本粒子（构成物质的亚原子结构）分成3大类：夸克、轻子与玻色子。“标准模型”的出现，使得各种粒子如万鸟归林般拥有了一个共同的“家园”。但是这一“家园”有个致命缺陷，那就是该模型无法解释物质质量的来源。

为了修补上述理论大厦的缺陷，英国科学家彼得"_blank" href="/item/希格斯玻色子/2190719" data-lemmaid="2190719">希格斯玻色子的存在。假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础。其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。尔后所有的粒子在除引力外的另3种力的框架中相互作用，统一于“标准模型”之下，构筑成大千世界。

“标准模型”预言了62种基本粒子的存在，这些粒子基本都已被实验所证实，而希格斯玻色子是最后一种未被发现的基本粒子。因此，寻找该粒子，被比喻为寻找粒子物理学领域的“圣杯”。

欧洲大型强子对撞机（LargeHadronCollider，简称LHC）被称为世界规模最庞大的科学工程，它将利用高速粒子束相撞产生的巨大能量，重建“大爆炸”发生后的宇宙形态。然而这个“巨无霸”在距离启动只有几天的时候依然官司缠身。欧洲和美国的反对人士分别向当地法院提出起诉，要求叫停或推迟这个项目，他们的理由是，LHC能产生危险的粒子或者微型黑洞，从而毁灭整个地球。

19号中午，欧洲核子研究中心大型强子对撞机发生隧道内严重氦泄漏事故。泄漏原因不详，欧洲核子研究中心计划在周末对事故进行调查。2100433B

1、电子－正电子对撞机又称正负电子对撞机，由于正负电子的电荷相反，所以这种对撞机只要建立一个环就可以了。相应的造价就比较低，世界上已建成的对撞机大部分是属于这一类的。

但是，由于电子回旋时引起的同步辐射损失，使这种对撞机能量的进一步提高发生了困难，因为同步辐射功率与电子的能量二次方成正比，且与回旋半径的平方成反比，为了减少辐射损失，一般高能量的电子对撞机均采用大半径方案，即采用只有几千高斯的低磁场来控制电子的运动，即使如此，电子对撞机的最高能量仍然受到很大的限制，例如,10GeV的电子在曲率半径为100m的对撞机中运动时,每圈的辐射损失约为10MeV，如果对撞机中的回旋电流为1A，要补偿这束电子流的辐射损失，就需要平均功率为10MW的高频功率。假如正电子流也为1A，则总的平均功率为20MW，由此可见，对撞机中高加速频系统的功率绝大部分是用来补偿这一同步辐射损失的。

辐射特性虽然给电子能量的进一步提高带来了困难，但也有一定的好处，这是因为电子或正电子注入对撞机后，由于电子的辐射损失，使电子截面受到强烈的压缩，电子很快集中到一个很小的区域中，其余的空间可以用来容纳再一次注入的电子，这样使积累过程简化，而且允许采用较低能量的注入器，通常采用直线加速器，也有采用电子同步加速器的。

这种对撞机中所需的正电子是由能量为几十兆电子伏以上的电子打靶后产生的，为了得到尽可能强的正电子束，往往需要建造一台低能量的强流电子直线加速器。另外产生出来的正电子束尚需再度注入到注入器中，与电子一起加速到必要的能量，再注入到对撞机中去。由于正电子束的强度只及电子束的千分之一到万分之一，所以需要几分甚至几十分钟的积累，才能达到足够的强度。

2、质子－质子对撞机这种对撞机需要建造两个环,分别储存两束相反方向回旋的质子束，才能实行质子与质子的对撞。由于质子作回旋运动时，其同步辐射要比电子小得多，在质子达到的能量范围内，可以略去不计，因此为缩小这类对撞机的规模,尽量采用强磁场,这就需要采用超导磁体。另外，质子束的积累也不如电子对撞机那样方便，它必须依靠动量空间的积累来实现。为此，必须首先在高能同步加速器中，将质子加速到高能（一般为几十吉电子伏），依靠绝热压缩，将质子束的动量散度压缩上百倍，再注入到对撞机中去进行积累，质子对撞机中的高频加速系统主要是用来进行动量空间的积累及积累完毕后的进一步加速，因此所需要的高频功率也比电子对撞机小得多。由于上述原因，质子－质子对撞机的规模要比电子－正电子对撞机大，投资也较高。

3、质子－反质子对撞机质子与反质子的质量相同，电荷相反，也只需要造一个环就能进行对撞。这种对撞机发展得较晚，主要原因在于由高能质子束打靶产生的反质子束强度既弱，性能又差，无法积累到足够的强度与质子对撞。70年代后期，“冷却”技术的成功，给予这种对撞机巨大的生命力(见加速器技术和原理的发展)。

粒子对撞机是在高能同步加速器基础上发展起来的一种装置，其主要作用是积累并加速相继由前级加速器注入的两束粒子流，到一定束流强度及一定能量时使其在相向运动状态下进行对撞，以产生足够高的相互作用反应率，便于测量。

测量粒子对撞的谱仪仪器，是对撞机的传感感应器，是量子粒子物理的最前沿科学。因为，粒子对撞也是一种‘机制’，也是存在着的‘天然自然粒子对撞机制’，量子粒子高能物理-凝聚态物理-天体粒子物理探索其中 。

欧洲核子中心

建成的质子对撞机如欧洲核子中心代号ISR的交叉储存环，其能量为2×31GeV，它于1971年已投入运行。由于电子冷却及随机冷却技术（见加速器技术和原理的发展）的成功,使反质子束的性能大大得到改善,而且束流可以积累到足够的强度，从而有可能在同一环中进行质子－反质子对撞。

为了增加对撞的几率（即提高对撞机的亮度），欧洲核子中心于1981年将一台能量为400GeV的质子同步加速器（即SPS）改建成质子－反质子对撞机，并于1983年取得了极其重要的实验成果，发现了W±、Z0粒子 。

70年代初期

70年代初期,出现了在对撞区中插入一种特殊的称为低包络插入节的聚焦结构，使束流在对撞点的横截面受到强烈的压缩，从而使对撞点的束流密度大大增加。

由于采用了这种结构，使70年代建造的对撞机的亮度比以前提高了一两个数量级。另外，为了尽可能的延长束流的寿命，对撞机环内的真空度平均不得低于10-8～10-9Torr,尤其是在对撞区附近。为了减少物理实验的本底，即为了保证使束流与束流发生对撞的几率大大超过束流与残余气体相撞的几率，真空度应维持在10-10～10-11Torr左右。所以大体积高真空这一技术也随着对撞机的发展而发展起来了。对撞机的类型电子－正电子对撞机又称正负电子对撞机，由于正负电子的电荷相反，所以这种对撞机只要建立一个环就可以了。相应的造价就比较低，世界上已建成的对撞机大部分是属于这一类的 。

同步辐射损失

但是，由于电子回旋时引起的同步辐射损失，使这种对撞机能量的进一步提高发生了困难，因为同步辐射功率与电子的能量二次方成正比，且与回旋半径的平方成反比，为了减少辐射损失，一般高能量的电子对撞机均采用大半径方案，即采用只有几千高斯的低磁场来控制电子的运动，即使如此，电子对撞机的最高能量仍然受到很大的限制，例如,10GeV的电子在曲率半径为100m的对撞机中运动时,每圈的辐射损失约为10MeV，如果对撞机中的回旋电流为1A，要补偿这束电子流的辐射损失，就需要平均功率为10MW的高频功率。

假如正电子流也为1A，则总的平均功率为20MW，由此可见，对撞机中高加速频系统的功率绝大部分是用来补偿这一同步辐射损失的。辐射特性虽然给电子能量的进一步提高带来了困难，但也有一定的好处，这是因为电子或正电子注入对撞机后，由于电子的辐射损失，使电子截面受到强烈的压缩，电子很快集中到一个很小的区域中，其余的空间可以用来容纳再一次注入的电子，这样使积累过程简化，而且允许采用较低能量的注入器，通常采用直线加速器，也有采用电子同步加速器的。这种对撞机中所需的正电子是由能量为几十兆电子伏以上的电子打靶后产生的，为了得到尽可能强的正电子束，往往需要建造一台低能量的强流电子直线加速器。另外产生出来的正电子束尚需再度注入到注入器中，与电子一起加速到必要的能量，再注入到对撞机中去。由于正电子束的强度只及电子束的千分之一到万分之一，所以需要几分甚至几十分钟的积累，才能达到足够的强度。

质子-质子对撞机这种对撞机需要建造两个环,分别储存两束相反方向回旋的质子束，才能实行质子与质子的对撞。由于质子作回旋运动时，其同步辐射要比电子小得多，在质子达到的能量范围内，可以略去不计，因此为缩小这类对撞机的规模,尽量采用强磁场,这就需要采用超导磁体。另外，质子束的积累也不如电子对撞机那样方便，它必须依靠动量空间的积累来实现。为此，必须首先在高能同步加速器中，将质子加速到高能（一般为几十吉电子伏），依靠绝热压缩，将质子束的动量散度压缩上百倍，再注入到对撞机中去进行积累，质子对撞机中的高频加速系统主要是用来进行动量空间的积累及积累完毕后的进一步加速，因此所需要的高频功率也比电子对撞机小得多。

由于上述原因，质子－质子对撞机的规模要比电子－正电子对撞机大，投资也较高。质子－反质子对撞机质子与反质子的质量相同，电荷相反，也只需要造一个环就能进行对撞。这种对撞机发展得较晚，主要原因在于由高能质子束打靶产生的反质子束强度既弱，性能又差，无法积累到足够的强度与质子对撞 。

“冷却”技术的成功

70年代后期，“冷却”技术的成功，给予这种对撞机巨大的生命力(见加速器技术和原理的发展)。由于冷却技术的成功，使得现有的高能质子同步加速器，只要它的磁铁性能及真空度够好的话，均有可能可以改成质子－反质子对撞机。

今后再建的超高能质子同步加速器，均考虑了同时进行质子－反质子对撞的可能，由此可见，这一技术成功的意义是何等重要。实现质子－反质子对撞虽然比质子－质子对撞能节省一个大环，但也有一定的弱点，主要是由于尽管经过冷却及积累,反质子的强度仍然比质子的低得多,这样使得质子－反质子对撞机的亮度比质子－质子对撞机低得多，前者最大为1029～1030cm-2·s-1,后者则为1032cm-2·s-1。电子－质子对撞机这种对撞机的主要困难在于电子束的横截面很小，线度约为几分之一毫米，而质子的横截面较大,线度约为一厘米左右。前者束流较密集,后者较疏松，两者相撞时作用几率很小 。

现阶段的研究

正在研究中，实现这种对撞需建立两个环，一个是低磁场的常规磁铁环,以储存及加速电子；另一个是高场的超导磁体环,以储存并加速质子，两个环的半径相同并放在同一隧道中，所以电子的能量通常是几十吉电子伏，质子的能量为几百吉电子伏。

随着加速器技术的提高,为了节约投资,新建的巨型加速器，往往在一个隧道中建造三个环，以便可能进行多种粒子对撞，例如质子-质子、质子－反质子，电子－正电子、质子－电子对撞。电子直线对撞机为避免电子作回旋运动时同步辐射损失引起的困难。

早在1965年已有人指出，在电子能量高于上百吉电子伏时，应采用直线型来进行对撞，就是说，应采用两台电子直线加速器加速两股运动方向相反的电子束（或正负电子束）待达到预定能量后，两股电子束被引出并在某点相碰。碰撞一次后的电子束即被遗弃，不再重复利用。当然，只有当这些被遗弃的电子束单位时间所带走的能量小于环形对撞机中同步辐射的损失功率，这种方案才会被考虑。另外，由于电子直线加速功率的限制，每秒能提供的电子束脉冲数是有限的，所以单位时间内发生的碰撞次数也比环形对撞机少得多，为了保证直线对撞机与环形对撞机有相同的亮度，要求在碰撞点的横截面进一步压缩，约比环形对撞机中的碰撞截面小几十到几百倍，十多年来技术上的进展，使这种对撞机受到重视，有关的各种问题正在解决中。