LHC 倒數計時開始 探求宇宙奧祕

Countdown starts in quest to pierce secrets of Universe
http://www.physorg.com/news140059929.html

September 08, 2008

粒子物理學家相信，他們將在週三開啟知識的新邊疆，那時他們，在地表下 100 公尺，將開啟一部精心打造的巨大機器，準備揭開物質最深奧之謎。

有史以來所進行最複雜的科學實驗，大強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）將把次元子粒子加速到接近光速並使它們猛烈撞在一起，準備填補我們對宇宙理解中的空白。

它也許能決定時--空相關新穎理論的結果：是否有另一個維度 -- 或許多次元 -- 與我們的平行並存？

在花了將近 20 年與 60 億瑞士法郎（54.6 億美元）之後，一個吸引了近 36 國；由 5,000 位科學家、工程師與技術員所組成的大軍，終於接近實現這個巨大的計畫。

在週三 GMT 07:30（台灣為下午三點半），第一批質子將會在 European Organisation for Nuclear Research（CERN）的總部注入一座 27 公里、橫跨瑞、法邊界的環型隧道。

在 1 億分之一的光速下疾馳，這些粒子將成為一個要使次元子成份相撞之長期實驗的第一步，在微小空間中產生比太陽熱度高出 10 萬倍的溫度。

分析者接著會鑽研這些殘骸以尋找基本粒子。

"我們將進入物理學的新領域，" Peter Jenni，ATLAS 發言人 -- 安置在環上的四大實驗室之一，在此一長列（swathe）敏銳的偵測器將聚焦在這些碰撞上。

"星期三是一個相當重要的里程碑。"

相較於 LHC 的 CERN 前輩，LEP 對撞機，以及一部位於美國伊利諾州傳奇 Fermilab 的老化加速器，它是部力量強大的機器。

它有能力以巨大的 14 TeV 讓質子或離子 -- 稱為強子（hadrons）的粒子 -- 撞在一起，比 Fermilab Tevatron 所維持的記錄大上七倍。

此一怪獸等級的計畫因其目標：探索無限小，而整齊地並列。

物理學家長久以來對於粒子如何取得質量感到困惑。

在 1964 年，一位英國物理學家，Peter Higgs，提出了這個點子：這裡並定存在一背景場，其作用將有點像糖漿。

粒子通過它，將透過與一種仲介物之間的拖拉而取得質量，理論學家將其命名為希格斯玻色子（Higgs Boson）。

對於希格斯粒子的標準嘲諷是將它稱為「上帝粒子（God Particle）」 -- 它無處不在卻又令人洩氣的難以理解。

法國物理學家 Yves Sacquin 說，由 LEP 與 Fermilab 所完成的、如英雄般的研究，已縮小了能量範圍，在此很有可能發現這隻狡猾的怪物（devious critter）。

考慮到 LHC 的能力，"這裡有很強的可能性，它將會被偵測到，" 他說。

某些專家也對於 LHC 早先在超對稱探究上的突破滿懷希望。

超對稱理論比希格斯粒子甚至要走的更遠。那假定在標準模型（Standard Model）中的粒子有相關、卻更龐大的相似物（counterparts）。

這樣的粒子將解釋最近幾年令人不安的發現：可見物質僅佔約 4% 的宇宙。稱為黑暗物質（dark matter）與黑暗能量（dark energy）如謎一般的現象，則佔了其他部份。

CERN 主管 Robert Aymar 將軍有把握這個龐大的實驗在洞悉這些神祕事物時將產生相應地大突破。

"LHC 無疑將產生本尊與這種黑暗物質的了解，" 他在錄影聲明中表示。

CERN 已發起公關（PR）戰役，安撫大眾說 LHC 將不會創造足以吞沒這顆行星的黑洞，或是令人不快的假設性粒子，稱為奇子（strangelet，譯註：由數量約略相等的上、下、奇夸克所組成的假設性物體，這種東西所組成的物體大小不一，大者可成為所謂的夸克星 (quark star)，詳見相關報導，有一種相等的說法是，奇子為奇異物質的碎片。這種東西源自於 E. Farhi 與 R. Jaffe，已成為黑暗物質的候選人之一）那將把地球變成一團黏性物質（goo）。

該組織已委任一專門小組驗證其計算，表示這樣的風險（就任何合理的思考）為：不可能，而法國也完成它自己的安全性調查。

不管怎樣，世界末日不會在禮拜三發生，因為 LHC 在那一天將不會產生任何碰撞。

在全速運轉之前，或許將在「數週之內」開始委任 LHC 測試其設備以及評估其工作程序，成為階段性計畫的一部份，Jenni 說。

每天將看見如山一般高的資料需要分析，"在有人希望可以開始發現某些新東西之前，那將花上數週或數個月，" 他謹慎表示。

"LHC「超過」一部機器。那是我們這個時代的智慧追尋，" New Scientist 週刊在本週這一期如此表示。

"幸運的話... 今日的物理學教科書將在 2009 年底開始過期。"

（後面背景資料略譯）

◆ 任務簡介：

-- 狩獵希格斯玻色子（HIGGS BOSON）
-- 探索超對稱（SUPERSYMMETRY）
-- 調查物質與反物質（MATTER AND ANTI-MATTER）
-- 重現大霹靂（BIG BANG）後的最早時刻

◆ 事實檔案：

• LHC 將把氫質子或鉛離子加速到 99.9999% 的光速，這項實驗將在 27 公里長，地底 175 公尺深的環型隧道中完成。
• 射束將以相對方向在同一平面上相撞。強大的超導磁鐵會使射束彎曲，故粒子束會在四個大腔室內相撞。此撞擊將產生比太陽熱 10 萬倍的溫度，重現大霹靂之後的狀態。
• 包圍腔室（chambers）的是偵測器，那將產生質子對撞後所產生之次元子粒子軌跡的 3D 影像。
• 在高速運作下，LHC 每秒將產生 10 億次碰撞。在地面上有 3000 部電腦，世上最大的電腦農場之一，將立刻算出最感興趣的 100 次碰撞。資料將送往全世界各學術單位所組成的運算網格來分析（譯註：LCG）
• 這個隧道是世上最大的電冰箱。這些超級磁鐵被冷卻到攝氏 -271 度，比外太空還要冷，以克服電阻。
• 碰撞腔室的規模巨大。最大者稱 ATLAS，46 公尺長、25公尺高。7000 噸的重量跟艾菲爾鐵塔不相上下，裡面包括 3000 公里長的纜線。蓋 ATLAS 時挖出近 300,000 噸的岩石，傾注 50,000 的混凝土。在一年內它將產生 3,200 TB 的 raw data，為美國國會圖書館 30 億本書的 160 倍。
• 在 10 小時的實驗中，一道射束將行進超過 100 億公里，足以來回海王星一趟。在全力運作時，每道射束的能量可讓一輛車每小時行駛約 1600 公里。LHC 將使用 120 百萬瓦特的電力，相當於日內瓦地區的家戶用量。
• LHC 碰撞將產生 14 兆電子伏特（TeV），在很小尺度下產生高度能量的濃縮。1 TeV 的能量相當於一隻飛行蚊子的移動能量。所以 CERN 說不會有安全問題。
• LHC 花 60.3 億瑞士法郎（54.6 億美元）建造。

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