大型強子對撞機第一年：運行平穩(wěn)

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


在LHC鉛離子對撞實驗中，出現(xiàn)了新的物質(zhì)狀態(tài)，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(wěn)，雖然因為時間和亮度的關(guān)系，還沒有發(fā)現(xiàn)希格斯粒子與新物理，但很好地驗證了標(biāo)準模型以及實現(xiàn)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(xué)裝置和實驗。該裝置位于日內(nèi)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(jīng)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(guān)閉了，但成果斐然。在運行的11年間，精確確定了粒子標(biāo)準模型中迄今發(fā)現(xiàn)的重量排名第二和第三的兩個粒子的質(zhì)量，即所謂中間玻色子的質(zhì)量，同時也精確確定了標(biāo)準模型中的很多其他參數(shù)。可惜，這臺加速器并沒有發(fā)現(xiàn)標(biāo)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(yè)，找到希格斯粒子。當(dāng)然很多物理學(xué)家還期待大型強子對撞機帶給我們更多的驚喜，即超出標(biāo)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(fā)現(xiàn)之前，我們先簡單說說加速器是什么，我們?yōu)槭裁匆ㄔ爝@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(xué)以及量子力學(xué)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(nèi)部以及可以為固體結(jié)構(gòu)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(xué)家為了探測亞原子結(jié)構(gòu)，還需要其他高能粒子，如正負電子和質(zhì)子以及反質(zhì)子。粒子的能量越高，波長也越短(物質(zhì)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(xiàn)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(shè)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(zhì)子達到的能量，我們知道，相對論告訴我們?nèi)魏挝矬w最高的速度是光速，一個能量為7T電子伏的質(zhì)子的速度與光速只差了不到一億分之一。
　　質(zhì)子在加速器的四個交叉點碰撞，科學(xué)家在這些交叉設(shè)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(jié)果的。物理發(fā)現(xiàn)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(biāo)是發(fā)現(xiàn)希格斯粒子，這是標(biāo)準模型中最后一個還沒有被發(fā)現(xiàn)的粒子，卻是最重要的一個。這是因為，標(biāo)準模型中的所有粒子開始時都沒有質(zhì)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(guān)聯(lián)獲得質(zhì)量。所以，為了最后驗證標(biāo)準模型，希格斯粒子是否存在至關(guān)重要。
　　另外，希格斯粒子也是最有可能與我們還沒有發(fā)現(xiàn)的新物理規(guī)律相關(guān)聯(lián)的。例如，也許存在超對稱，超對稱的存在預(yù)言至少有兩個希格斯粒子。很多理論家還期待LHC將發(fā)現(xiàn)三維空間之外的額外維、超弦理論的跡象以及暗物質(zhì)的跡象。四個探測器的主要科學(xué)目的不同。ATLAS用來尋找新物理規(guī)律以及希格斯粒子和粒子的質(zhì)量起源；CMS也是用來尋找希格斯粒子的，同時尋找暗物質(zhì)的跡象；ALICE主要的科學(xué)標(biāo)目是研究夸克-膠子等離子體(后面我們要側(cè)重談到)；LHCb的主要目標(biāo)是研究為什么我們宇宙中存在物質(zhì)與反物質(zhì)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(fā)現(xiàn)額外維以及小黑洞持有極大的懷疑態(tài)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(guān)策略。據(jù)說，LHC的科學(xué)宣傳策劃已經(jīng)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?shù)牟藛危徽揕HC發(fā)現(xiàn)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。”什么意思呢？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(guān)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(jīng)過一段時間的運轉(zhuǎn)，9月 19日因為冷卻系統(tǒng)的故障 53個磁鐵損壞了，LHC被迫關(guān)閉。修復(fù)是一個漫長的過程，因為還涉及到整個系統(tǒng)的檢查、清理和調(diào)試。經(jīng)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(zhì)子，每個質(zhì)子的能量達到450京電子伏(1 京=10億)。這個能量當(dāng)然還遠遠低于設(shè)計的七千京電子伏。到了11月30日，一個紀錄產(chǎn)生了，被加速后的每個質(zhì)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?nèi)魏渭尤诵牡南ⅰ，F(xiàn)在，2010年過去了，雖然LHC一直平穩(wěn)而有效地工作著，的確沒有給我們帶來新物理發(fā)現(xiàn)。但有一些正常與有些出乎意料的發(fā)現(xiàn)還是值得書寫的。
　　首先，LHC還沒有達到預(yù)計的最大能量。現(xiàn)在每個質(zhì)子的最高能量是3.5T電子伏，是設(shè)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(zhì)子束的亮度——即每束粒子含有的粒子個數(shù)，個數(shù)越多，碰撞的機會才越大，才越有可能看到新物理。ATLAS的科學(xué)家們很快就看到了標(biāo)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(xiàn)象。
　　重要新聞
　　到了去年9月份，第一個重要新聞發(fā)布了。在經(jīng)過大約半年的粒子碰撞后，CMS探測器收集到足夠的數(shù)據(jù)看到了一些非常有趣的現(xiàn)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(jīng)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(zhì)，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(xué)家們?yōu)槭裁匆驗榭吹竭@種等離子體而興奮？他們甚至說，他們實現(xiàn)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(zhì)的主要成分是原子核，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。再下一層結(jié)構(gòu)是夸克，質(zhì)子和中子都是由夸克構(gòu)成的，每個質(zhì)子或中子含有三個夸克。當(dāng)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(jié)，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(dāng)然其力度比起不干膠可要強多了。
　　色漿·小爆炸
　　其實，當(dāng)我們用能量轟擊質(zhì)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(chǎn)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(xiàn)。
　　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(tài)。由于新物態(tài)是夸克與膠子構(gòu)成的，所以叫夸克-膠子等離子體。夸克和膠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(tài)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(xiàn)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(guān)，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(fā)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(zhì)就與大爆炸有關(guān)了。在加速器上，由于實現(xiàn)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(xué)。那時我在明尼蘇達大學(xué)參加了一個會議，會上有名的理論物理學(xué)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(zhì)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(zhì)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(jié)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(yīng)更加明顯了。ALICE探測器與ATLAS探測器發(fā)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(jié)。
　　總之，大型強子對撞機(LHC)的第一年運行非常平穩(wěn)，雖然因為時間和亮度的關(guān)系，還沒有發(fā)現(xiàn)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(biāo)準模型，以及實現(xiàn)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)