模擬宇宙大爆炸：那百萬分之一秒中發生了什么

CFP供圖

　　——新聞緣起——
　　北京時間11月9日，科學家借助歐洲大型強子對撞機（LHC）成功完成了創造迷你版“宇宙大爆炸”的實驗，產生了一個溫度為太陽核心溫度100萬倍的火球。參與這個項目的科學家熱烈慶祝了這個具有里程碑意義的實驗。
　　大型強子對撞機創造了一個迷你版本的“宇宙大爆炸”，而宇宙正是誕生于大約140億年前的大爆炸?！懊阅愦蟊ā笔峭ㄟ^鉛離子高速撞擊實現的，據稱，這將開啟粒子物理學研究的新世紀。
　　——專家解讀——
　　夸克·膠子等離子體是否真的存在，LHC將給出答案
　　約翰·埃利斯（英國理論物理學家，自1978年起為歐洲核子研究中心工作）：
　　嚴格意義上說，大型強子對撞機（LHC）不可能完全重現大爆炸，但它確實成功重現了大爆炸發生后極短時間內宇宙小范圍的情形。
　　LHC設備的運行進入了一個新階段。即對潛在的新物質狀態進行探索。迄今為止，LHC設備就像是一臺超級顯微鏡，通過實現粒子間的高能對撞，從而探索物質的最基本結構。在接下來的幾周內，LHC設備將繼續進行鉛原子核的高能對撞實驗，每次對撞都將包含大量粒子，實驗的目的是了解在大量粒子同時發生高能對撞的情況下將會出現什么新現象。
　　理論物理學家們對此進行了預言：他們認為在LHC鉛原子核對撞實驗中產生的超高密度和壓力條件下，將出現一種新的物質態——夸克·膠子等離子體。在這種物質態中，物質的最基本粒子：夸克和膠子，將脫離核子（質子、中子等），這很類似在等離子電視機中電子從原子中脫離開一樣。我們觀看等離子電視，其實就是看到了這些逃逸的電子構成的電磁等離子體發出的光。類似的，“大型離子撞擊試驗探測器”（ALICE）和LHC設備將用于“觀看”鉛核高能對撞時發出的粒子，從而尋找證據，來驗證或推翻現存關于夸克·膠子等離子體的理論。
　　這些實驗將提供探索基本物理理論的途徑，包括一些由弦理論提出的觀點。還可能對于宇宙的早期演化研究提供新的線索。宇宙學家們認為，如果夸克·膠子等離子體真的存在，那么極早期宇宙——大爆炸后不超過1微秒（百萬分之一秒）中應當充斥著這種物質狀態。因此從這一角度看，此次的實驗將對這一階段的宇宙演化提供新的研究線索，從而影響對宇宙后續演化理論的研究。
　　等離子物理學家們的觀點是否正確呢？弦理論是否正確呢？宇宙學家們是否正確呢？LHC實驗將提供一些答案。
　　——加速器在中國——
　　隨著科學技術的發展，人類對物質結構的認識是從一開始看到身邊的各種物質逐漸發展到借助放大鏡、顯微鏡、直到后來的粒子加速器、電子對撞機等，逐步深入到細胞、分子、原子和原子核深層次，每深入一步都會帶來巨大的社會效益和經濟效益。原子核及其核外電子的發現，帶動了無線電、半導體、電視、雷達、激光、X光的發展，而近幾十年對原子核的研究，則為原子能的利用粒子加速器奠定了理論基礎。
　　要想了解物質的微觀結構，首先要把它打碎。粒子加速器就是用高速粒子去“打碎”被測物質，讓正負電子在運動中相撞，可以使物質的微觀結構產生最大程度的變化，進而使我們了解物質的基本性質。
　　上世紀80年代以來，我國陸續建設了四大高能物理研究裝置——北京正負電子對撞機、蘭州重離子加速器和合肥同步輻射裝置。2000年以后，國家和地方政府合作，花費14億元之巨興建了大科學裝置上海同步輻射光源。
　　北京正負電子對撞機：國際上最先進的雙環對撞機之一
　　北京正負電子對撞機是一臺可以使正、負兩個電子束在同一個環里沿著相反的方向加速，并在指定的地點發生對頭碰撞的高能物理實驗裝置。由于磁場的作用，正負電子進入環后，在電子計算機控制下，沿指定軌道運動，在環內指定區域產生對撞，從而發生高能反應。然后用一臺大型粒子探測器，分辨對撞后產生的帶電粒子及其衍變產物，把取出的電子信號輸入計算機進行處理。
　　它始建于1984年10月7日，1988年10月建成，包括正負電子對撞機、北京譜儀（大型粒子探測器）和北京同步輻射裝置。2010年7月22日，北京正負電子對撞機重大改造工程（BEPCII）取得重要進展——加速器與北京譜儀聯合調試對撞成功，并觀察到了正負電子對撞產生的物理事例。這標志著BEPCII已圓滿完成了建設任務。改造后的BEPCII將在世界同類型裝置中繼續保持領先地位，成為國際上最先進的雙環對撞機之一。
　　上海同步輻射光源：我國迄今為止最大的大科學裝置
　　上海光源是一臺高性能的中能第三代同步輻射光源，它的英文全名為Shanghai Synchrotron Radiation Facility，簡稱SSRF。2010年1月19日在上海通過國家驗收。此舉標志著中國這一性能指標達到世界一流的中能第三代同步輻射光源，正式對科研用戶開放。
　　它是我國迄今為止最大的大科學裝置和大科學平臺，在科學界和工業界有著廣泛的應用價值，每天能容納數百名來自全國或全世界不同學科、不同領域的科學家和工程師在這里進行基礎研究和技術開發。
　　上海光源擁有的高強度、高亮度、高穩定性等特性，可用以從事生命科學、材料科學、環境科學、醫學、藥學等多學科的前沿基礎研究，以及微電子、石油、醫療診斷等高技術的開發應用的實驗研究。以生命科學為例，生命科學已進入了后基因組時代，蛋白質科學已成為各發達國家競相搶占的制高點。而以蛋白質結構和功能研究為主要目標的結構基因組學研究80%以上的工作需要在第三代同步輻射光源上進行。
　　蘭州重離子加速器：我國第一臺重離子加速器
　　蘭州重離子加速器是我國自行研制的第一臺重離子加速器，同時也是我國到目前為止能量最高、可加速的粒子種類最多、規模最大的重離子加速器，是世界上繼法國、日本之后的第三臺同類大型回旋加速器，1989年投入正式運行，主要指標達到國際先進水平。中科院近代物理研究所的科研人員以創新的物理思想，利用這臺加速器成功地合成和研究了10余種新核素。
　　2009年5月，新近建成的大科學裝置——蘭州重離子加速器冷卻儲存環（HIRFL－CSR）提供的高能碳離子束，成功投入了深層腫瘤重離子治療臨床試驗。目前已有6例患者接受了深層腫瘤臨床治療試驗，年內將完成20例深層腫瘤病人的臨床治療試驗。
　　合肥同步輻射國家實驗室：光源亮度比太陽還高
　　合肥同步輻射國家實驗室是我國唯一一個建在高校中的大科學裝置，這一同步輻射光源，亮度比太陽還高，這也是國家批準建設的第一個國家實驗室。
　　這一大科學工程始建于1984年11月，總投資為6240萬元人民幣，由5條光束線和實驗站組成。其主體設備是一臺能量為800MeV的電子儲存環，可開展大量科學研究。1991年12月，一期工程通過國家驗收。1997年，國家再次投入1.18億元，在原有裝置基礎上進行了改造，增建的一臺波蕩器和8條新光束線和實驗站，提高了光源的積分流強、束流壽命和穩定性，保證了加速器的長期、可靠、穩定運行，能為用戶提供更強的光、更多的用光機時，拓寬了同步輻射應用的領域，給用戶提供了更為先進的實驗方法和技術，已擁有X射線衍射與散射、軟X射線顯微術、原子與分子物理、表面物理、軟X射線磁性圓二色、光電子能譜、真空紫外光譜、光聲與真空紫外圓二色光譜、光譜輻射標準與計量等14個實驗站，成為我國重要的交叉科學研究平臺。2004年全面向用戶開放。
　　利用這一裝置，科學家獲得了令人激動的科研成果。如實驗室研究員與美國、德國科學家合作，首次在實驗中發現了一系列碳氫化合物氧化過程的重要中間體：烯醇。研究成果以封面論文的形式發表在2005年6月24日出版的《科學》雜志上。
　　■ 點擊LHC
　　歐洲大型強子對撞機是目前世界上最大能量最高的粒子加速器，英文縮寫為LHC（LargeHadronCollider），由三個關鍵詞組成：大型、強子和對撞機。“大型”是指尺寸，它的周長達27公里；“強子”是因為它加速質子或重離子，這些都是參與強相互作用的粒子；“對撞機”是由于它要把兩束強子加速到很高的能量并且在其中對撞。
　　大型強子對撞機2008年9月啟動，但并不是對撞的開始，只是調試，先將第一束質子流注入對撞機，使其以接近光速的速度走通在27公里隧道里的環形真空室；然后，將第二束質子流注入大型強子對撞機反方向運行，在經過反復調試，穩定加速到高能量之后，才可進行兩束質子流的對撞。(科技日報)