什么是强子对撞？

什么是强子对撞？

高能物理对撞机可以按照其加速粒子的种类进行分类，强子对撞机是其中一种，它加速的粒子是强子。由夸克组成的粒子称为强子，它包括重子和介子。介子一般是高能物理过程中的产物，极不稳定，短时间内就会发生衰变，因此不会是对撞机用来加速的粒子。在重子中，相对稳定的是质子和中子，而中子不带电，无法实现加速过程。也就是说，目前可行的强子对撞机所加速的粒子是质子。当前世界上能量最高的强子对撞机位于瑞士日内瓦，由欧洲核子研究中心建造的大型强子对撞机将投入运行，届时将成为世界上能量最高的强子对撞机，它能使质子－质子在14TeV的质心能下对撞。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。 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，现在又遇到了麻烦。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，科学家希望它能在今年7月中旬开始运行。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将在今年启动，并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，“从现在开始一年之后，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（即验证希格斯玻色子）、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，我们现在还不是好好的。”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。” **1：大型强子对撞机数据“之最” 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，即将于今年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： 1、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。 2、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%。 3、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。 4、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。 5、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。 ***2：粒子物理学的“圣杯”——希格斯玻色子 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?希格斯提出了希格斯场的存在，并进而预言了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