【親歷“世界最大科學(xué)實驗”】 之 探測器

給“大爆炸”拍快照

LHCb探測器實驗大樓,。外墻由一位德國藝術(shù)家繪制。圖/CERN

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

這個世界上最大的實驗項目,，尋找“襁褓”中的宇宙形態(tài)。質(zhì)子束的對撞,，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,。好在探測器可以把它們的蹤跡和能量記錄下來,，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個探測器實驗,。其中4個是主探測器。與加速器控制室相比,，兩個最大的探測器ALTAS和CMS的控制室都小得多,，不過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)到毫米的巨大探測器。

控制室里,，一位年輕的工程師緊盯著兩個屏幕,。他在LHC的唯一任務(wù)，就是等粒子束過來的時候,，開啟探測器,。當(dāng)然，程序軟件是完全自動化的,，他要做的僅僅是監(jiān)督程序的運(yùn)行,。“就這么一個單一的工作,，也是至關(guān)重要的,。一點點差錯就可能毀了整個實驗或探測器?！眮碜云咸蜒赖腃MS實驗項目協(xié)調(diào)員,、滿頭黑發(fā)安德魯·大衛(wèi)（Andre David）說。

控制室里,，一名工程師正緊盯著四個屏幕,， 他的唯一工作就是等待粒子束過來的時候，監(jiān)督軟件的自動開啟,。 本報記者 金煜 攝

探測器是最能體現(xiàn)國際合作的實驗項目,，每個項目都有上千來自世界各地的科學(xué)家參與。中國目前參與了4個主探測器的工作,。在LHC,，每個科學(xué)家各自做著自己分內(nèi)的工作，同時也要肩負(fù)為實驗融資的任務(wù),。

記者嘗試讓這里科學(xué)家來描述探測器的作用,，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”,。那么探測器是如何進(jìn)行觀察甚至拍攝的呢,？

飛機(jī)在空中劃過,，會留下一條軌跡,。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)電的粒子會在超導(dǎo)磁場中向相反方向轉(zhuǎn)彎,，這就可以探測到它們的運(yùn)動方向。再比如,，粒子的動量是粒子質(zhì)量和速度的結(jié)合,，高動量的粒子幾乎沿直線而行，而低動量的粒子轉(zhuǎn)彎半徑則小得多,。通過層層的次探測器,，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“對照組”

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

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。這是目前世界上最大的環(huán)形粒子探測器,。這個超導(dǎo)磁鐵系統(tǒng)可以儲存16兆焦耳能量,，足以把整座埃菲爾鐵塔抬高16米。探測器里有著1億個感應(yīng)器,，用來捕捉粒子的蹤跡,。2004年，印尼發(fā)生大地震并引發(fā)海嘯,。千里之外的ALTAS 探測器也感應(yīng)到了海洋振動的頻率,。

而CMS探測器則只有一塊巨型螺旋管式磁鐵,，但這塊磁鐵產(chǎn)生的磁場相當(dāng)于地球磁場的10萬倍。磁鐵被一個外部巨大的“鐵軛”包圍,，確保磁場可以延伸到所有的探測裝置,。整個探測器的重量相當(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。她為另一個主探測器“愛麗絲”（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“愛麗絲”測量的是重離子對撞,。

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,，因為高溫，強(qiáng)核力的耦合變?nèi)?，?dǎo)致夸克和膠子“滿天飛”,。不過，目前科學(xué)家從未單獨(dú)觀測到夸克,，所以不知道為何夸克們會被強(qiáng)核力綁在一起,。此外，質(zhì)子和中子中只有三個夸克,，占有其1%的質(zhì)量,，剩下99%的質(zhì)量從何而來，科學(xué)界也一直沒有形成定論,。為了再現(xiàn)宇宙誕生百萬分之一秒時的場景,，“愛麗絲”的科學(xué)家們選擇了鉛離子束。鉛的原子核帶有208個質(zhì)子和中子,，粒子束碰撞后,，會在很短時間內(nèi)產(chǎn)生夸克、膠子,。冷卻時,，新出現(xiàn)的2萬種粒子會被“愛麗絲”的18個次級探測器探測到,。

“不穩(wěn)定的粒子會衰變?！泵珌嗭@說,，“粒子一層層地衰變，能量一級級地減少,，直到最后停下來,。每減速的時候就會留下軌跡,，探測器就通過這些軌跡鑒定粒子的方向和能量,。”“愛麗絲”和LHC的其他幾個探測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粒子,，并獲取其能量信息。

有意思的是,，年輕的“愛麗絲”已經(jīng)成了LHC的“后起之秀”,。今年11 月，它們成功創(chuàng)造出了一個迷你版的“大爆炸”———形成一個高于太陽核心溫度100萬倍的火球,，這正是夸克膠子等離子體組成的“混沌湯”,，這個令人激動的實驗結(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

兩個最大的探測器分布在環(huán)形加速器的對應(yīng)上下兩頭,，ALTAS在瑞士境內(nèi)，CMS則位于法國小鎮(zhèn)Mayrin上,?！皭埯惤z”居左，主要研究反物質(zhì)的 LHCb實驗則靠近日內(nèi)瓦湖右岸,。不過,，這里的實驗離不開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)時的畫面。所有物理實驗的設(shè)計和運(yùn)行,，都最初始于理論物理學(xué)家的思想頭腦,；同樣，各種新的實驗結(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”場景,。最初的宇宙是一個巨大的能量的火球,，溫度達(dá)到大約1000億℃,。冷卻過程中，能量才變成了質(zhì)量,，原子逐漸形成,。這個大爆炸就是目前現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型理論所設(shè)想的宇宙誕生場面。這個理論從上世紀(jì)60年代開始發(fā)展起來,，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的理論和實驗科學(xué)家們，都是圍繞著這個理論在打轉(zhuǎn),。

從上世紀(jì)開始,，人們開始逐漸發(fā)現(xiàn)原子內(nèi)部的物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了一個接一個的粒子：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”；也有與其說是物質(zhì)粒子,，不如說是負(fù)責(zé)傳遞各種作用力的“粒子”,，叫做“中間玻色子”。通過實驗,，人們找到了標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的61個粒子中的60個,。

盡管不斷被驗證，但有一些最基本的問題,，標(biāo)準(zhǔn)模型仍然沒法解釋,。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,？這個理論,，在一些地方肯定出錯了或者不完整。最后剩下的那個沒找到的粒子或許可以給出答案,。

對此,，英國著名物理學(xué)家希格斯提出，宇宙可能存在一個場，粒子像魚一樣在其中“游泳”,。一些粒子如電子取得了質(zhì)量,，而一些粒子如光子，因為沒有互相作用而沒有取得質(zhì)量,，只是以光速穿越宇宙,。這就是“希格斯場”。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)測的最后一個粒子,。尋找希格斯子，也是 LHC以及兩個主要探測器最首要的任務(wù),。

按照標(biāo)準(zhǔn)模型的計算,，希格斯子的能量在120GeV到200GeV之間。LHC的加速器正是照此設(shè)計的,?！皩嶒炛挥袃蓚€可能,，找到或者找不到希格斯子,。” 祁鳴說,，“美國的費(fèi)米實驗室是唯一找到希格斯子蹤跡的,，但沒法驗證。如果LHC找到了希格斯子或者類似希格斯子的東西,，那將證實標(biāo)準(zhǔn)模型,。如果找不到，那就像霍金說的,，根本不存在希格斯子,，標(biāo)準(zhǔn)模型就是錯的，需要重寫,。那整個物理世界就要重新搞一套模型來解釋客觀世界,。”

實際上,，標(biāo)準(zhǔn)模型很好地解釋了微觀層面的三個力,，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,。但愛因斯坦在相對論中漂亮地解釋了天體互動的引力卻沒法和量子世界的標(biāo)準(zhǔn)模型結(jié)合起來。為此,，理論物理學(xué)家們提出了“大統(tǒng)一理論”的想法,，試圖將萬有引力引入了解釋微觀世界的標(biāo)準(zhǔn)模型。他們的這個理論是否靠譜,，唯一的驗證也只有等LHC的實驗完成了才知道,。

本版采寫/本報記者 金煜