大型強子對撞機第一年：運行平穩

英國伯明翰大學的物理學家埃文斯在近距離觀看ALICE探測器中“小爆炸”的發生情景


在LHC鉛離子對撞實驗中，出現了新的物質狀態，即夸克-膠子等離子體


　　作者： 李淼
　　大型強子對撞機(LHC)的第一年運行非常平穩，雖然因為時間和亮度的關系，還沒有發現希格斯粒子與新物理，但很好地驗證了標準模型以及實現了“小爆炸”，這對研究早期宇宙很有幫助。
　　大型強子對撞機，英文簡寫為LHC，是最吸引人眼球的科學裝置和實驗。該裝置位于日內瓦附近的瑞士和法國交界處，主要部分安置在一個周長為27公里的隧道中，該隧道最深達175米。
　　這個隧道并不很新，建造于1983年到1988年之間，曾經安置過大型正負電子對撞機(LEP)。這臺同步加速器為了給LHC讓路在2000年就關閉了，但成果斐然。在運行的11年間，精確確定了粒子標準模型中迄今發現的重量排名第二和第三的兩個粒子的質量，即所謂中間玻色子的質量，同時也精確確定了標準模型中的很多其他參數?？上?，這臺加速器并沒有發現標準模型的最后一個粒子，希格斯粒子。
　　大型強子對撞機的主要目的是完成大型正負電子對撞機的未竟事業，找到希格斯粒子。當然很多物理學家還期待大型強子對撞機帶給我們更多的驚喜，即超出標準模型之外的新粒子和新物理。
　　加速器
　　在談LHC運行一年多中的各種發現之前，我們先簡單說說加速器是什么，我們為什么要建造這些龐然大物。
　　我們知道，我們用肉眼看東西有尺寸上的限制，原因是我們只能看到可見光，而可見光的波長最短是0.39微米即390納米。光學以及量子力學告訴我們，為了要看到更小的東西，我們需要更短的波長。例如，X光的波長最短達0.01納米。短波的X射線由于波長極短，可以穿透固體，可以探測固體內部以及可以為固體結構成像。同理，更短波長的伽瑪射線可以探測更小的尺度。
　　物理學家為了探測亞原子結構，還需要其他高能粒子，如正負電子和質子以及反質子。粒子的能量越高，波長也越短(物質波的波長)，這樣就可以探測到更小的尺度。最早的粒子加速器是Cockcroft-Walton倍壓器，利用電壓來加速電子。現在的粒子加速器五花八門，從直線加速器到回旋加速器。
　　大型強子對撞機是同步加速器，最高單個粒子能量設計是7T電子伏。這里T是10的12次方，即一萬億。我們也可以用速度來想象質子達到的能量，我們知道，相對論告訴我們任何物體最高的速度是光速，一個能量為7T電子伏的質子的速度與光速只差了不到一億分之一。
　　質子在加速器的四個交叉點碰撞，科學家在這些交叉設置了六個探測器，這些探測器是用來記錄和測量粒子碰撞后的結果的。物理發現將在這些探測器上做出。其中比較顯著的是四個探測器，名稱分別為ATLAS(雖然是一些英文詞的縮寫，卻與希臘神話中的大力神巨人同名，他用雙肩將天扛起)，CMS，ALICE，LHCb。
　　期待什么
　　LHC的主要目標是發現希格斯粒子，這是標準模型中最后一個還沒有被發現的粒子，卻是最重要的一個。這是因為，標準模型中的所有粒子開始時都沒有質量，希格斯粒子就像上帝的使者，它的存在改變真空，而其他粒子通過與希格斯的關聯獲得質量。所以，為了最后驗證標準模型，希格斯粒子是否存在至關重要。
　　另外，希格斯粒子也是最有可能與我們還沒有發現的新物理規律相關聯的。例如，也許存在超對稱，超對稱的存在預言至少有兩個希格斯粒子。很多理論家還期待LHC將發現三維空間之外的額外維、超弦理論的跡象以及暗物質的跡象。四個探測器的主要科學目的不同。ATLAS用來尋找新物理規律以及希格斯粒子和粒子的質量起源；CMS也是用來尋找希格斯粒子的，同時尋找暗物質的跡象；ALICE主要的科學標目是研究夸克-膠子等離子體(后面我們要側重談到)；LHCb的主要目標是研究為什么我們宇宙中存在物質與反物質的不對稱。
　　我本人期待LHC將給我們帶來意想不到的收獲，而不是像理論家們期待的那樣看到超對稱甚至超弦理論的跡象。我對LHC是否會發現額外維以及小黑洞持有極大的懷疑態度。我覺得額外維和小黑洞的宣傳主要是歐洲核子中心的公關策略。據說，LHC的科學宣傳策劃已經被寫進媒體教科書。
　　有些理論家，成天制造不同的理論，希望制定出一份周詳的菜單，不論LHC發現什么，都在他的菜單上。這些菜單的制造，基本建立在一個或兩個假想的問題上，而不是實驗的啟示。我覺得愛因斯坦的話值得銘記：“上帝是微妙的，但他不懷惡意?！笔裁匆馑寄?？就是上帝大概不會被你無緣無故地猜中，但最終他還是愿意告訴你他自己的計劃。
　　第一年
　　從2008年到今天，全球關心所謂宇宙秘密的人，總是被LHC的新聞所吸引。2008年9月10日，LHC第一次啟動，經過一段時間的運轉，9月 19日因為冷卻系統的故障 53個磁鐵損壞了，LHC被迫關閉。修復是一個漫長的過程，因為還涉及到整個系統的檢查、清理和調試。經過一年多的辛苦工作，終于在2009年11月21 日重新啟動。11月24日，LHC的四個探測器都檢測到相反運動的兩個粒子束的碰撞，這些粒子束含的是質子，每個質子的能量達到450京電子伏(1 京=10億)。這個能量當然還遠遠低于設計的七千京電子伏。到了11月30日，一個紀錄產生了，被加速后的每個質子的能量達到1180京電子伏，超過了過去的紀錄 980京電子伏(美國國立費米實驗室的紀錄)。
　　我過去寫過，按照最樂觀的期望，LHC運行的第一年，也就是2010年，不要指望LHC能帶給我們任何激動人心的消息?，F在，2010年過去了，雖然LHC一直平穩而有效地工作著，的確沒有給我們帶來新物理發現。但有一些正常與有些出乎意料的發現還是值得書寫的。
　　首先，LHC還沒有達到預計的最大能量?，F在每個質子的最高能量是3.5T電子伏，是設計能量的一半，這個能量是2010年3月份達到的，在接下來的時間中，加速器主要是增加質子束的亮度——即每束粒子含有的粒子個數，個數越多，碰撞的機會才越大，才越有可能看到新物理。ATLAS的科學家們很快就看到了標準模型中的中間玻色子，但并沒有看到任何不同尋常的新物理現象。
　　重要新聞
　　到了去年9月份，第一個重要新聞發布了。在經過大約半年的粒子碰撞后，CMS探測器收集到足夠的數據看到了一些非常有趣的現象。他們似乎看到了夸克 -膠子等離子體。這是位于美國的布魯克海文實驗室叫做RHIC加速器在比較低的能量上已經看到的。由于LHC的能量更高，如果夸克-膠子等離子體在高能量段還具備完美的液體性質，在實驗和理論上都是令人興奮的進展。
　　那么，什么是夸克-膠子等離子體？科學家們為什么因為看到這種等離子體而興奮？他們甚至說，他們實現了可與宇宙大爆炸相比的“小爆炸”，這種小爆炸又是什么意思？
　　我們知道，通常我們看到的物質的主要成分是原子核，原子核由質子和中子構成。再下一層結構是夸克，質子和中子都是由夸克構成的，每個質子或中子含有三個夸克。當然，三個夸克的說法是在尋常的能量上。如果我們試圖看到更多的細節，我們會看到膠子，這些膠子是將夸克強力地約束在一起的粒子，起了類似“不干膠”的作用，當然其力度比起不干膠可要強多了。
　　色漿·小爆炸
　　其實，當我們用能量轟擊質子或原子核時，由于能量多的原因，在通常的夸克和膠子外，我們還會看到夸克和反夸克成對地產生。如果原子核的能量足夠大，在轟擊的過程中，將會有很多夸克和膠子出現。
　　這個時候，僅僅看單個粒子就不合適了，我們需要用氣體或液體的概念來描述這些存在極為短暫的新物態。由于新物態是夸克與膠子構成的，所以叫夸克-膠子等離子體?？淇撕湍z子之間的相互作用是由色荷決定的(就像電子與電子之間的相互作用由電荷決定的類似)，我過去曾開玩笑地建議將新物態命名為色漿——因為在臺灣，普通等離子體叫做電漿。
　　夸克-膠子之間的相互作用非常強，即使在極高能，也不能忽略它們之間的力。但理論家們分為兩派，一派認為色漿是氣體，至少在較高的能量上，色漿的表現像氣體。另一派則認為色漿是液體，而且還不是普通液體，是粘滯性很低的液體。氣體和液體的粘滯性與粒子之間的力大小有關，力越大，粘滯越小，如果粘滯為零，我們叫這種液體為完美液體。
　　在宇宙大爆炸發生后不久，宇宙就是一種液體，由正負電子、夸克與膠子以及其他粒子組成。所以，研究夸克與膠子等離子體的性質就與大爆炸有關了。在加速器上，由于實現的空間與時間相對小和短，人們就將這種事件稱為“小爆炸”。
　　研究色漿的第一個實驗是RHIC。RHIC是 Relativistic Heavy Ion Colider的縮寫，在位于美國長島的布魯克海文實驗室。我印象中這個實驗早在上世紀90年代初就計劃了，那時弦論陷入一個周期性的黑暗中，我為了未來開始研究一點夸克和膠子的色動力學。那時我在明尼蘇達大學參加了一個會議，會上有名的理論物理學家Bjorken就大肆宣傳RHIC的實驗。 RHIC總共花了多少錢？到2005年一共花了11億美元。
　　去年9月份CMS在質子碰撞中看到色漿的跡象。LHC在去年11月份開始加速鉛原子核，使得每個核子(即原子核中含有的質子和中子)能的平均能量達到1.38T電子伏，遠遠高于RHIC實驗。這些實驗在去年12月6日結束。在不到一個月的實驗中，幾個探測器都看到了色漿，而且與那些懷疑論者所持的想法相反，色漿在高溫下依然是粘滯很小的完美液體，并且，噴注淬滅效應更加明顯了。ALICE探測器與ATLAS探測器發表在《物理評論通訊》12月13日那一期上的兩篇論文是LHC運行了一年的最好總結。
　　總之，大型強子對撞機(LHC)的第一年運行非常平穩，雖然因為時間和亮度的關系，還沒有發現希格斯粒子與新物理(超對稱也好，小黑洞也好，額外維也好)，但很好地驗證了標準模型，以及實現了“小爆炸”，證實了色漿是一種完美液體，這對研究早期宇宙很有幫助。
　　(作者系中科院理論物理所研究員)