大型強子對撞機臨近啟動,諾貝爾獎得主們暢談夢想——以及噩夢

世界最大科學實驗即將於今年夏季晚些時候啟動

數字14在討論大型強子對撞機(LHC)時頻繁出現,這是即將成為世界上最大的粒子加速器。 其位於瑞士日內瓦附近的地下,17英里(27公里)的環形設施的建設耗時14年。它的設計能量為14太電子伏特(TeV),大約是目前世界領先的加速器——伊利諾伊州費米國家加速實驗室的Tevatron的七倍。

歐洲核子研究組織(CERN)的專案負責人今天宣佈,下個月工作人員應該完成將機器的50,000噸磁鐵冷卻到比深空還冷的溫度——令人震驚的-456.3華氏度(1.9開爾文),使它們準備好將反向質子束加速到接近光速並使其碰撞,以便研究人員可以篩選殘骸。

預計的冷卻完成日期? 7月14日那一週。


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毋庸置疑,開啟有史以來建造的最大、最複雜的科學實驗將是一個漫長的過程。“沒有紅色按鈕可以按,” 歐洲核子研究組織發言人詹姆斯·吉利斯昨天在法國普雷韋桑的歐洲核子研究組織控制中心進行的網路新聞釋出會上說。實驗室計劃在8月中旬將第一批質子送入環形設施,然後花幾個月的時間將其加速到高能量。理想情況下,大型強子對撞機的巨型粒子探測器應該在大約同一時間準備就緒。

在啟動之前,歐洲核子研究組織召集了一個由五位諾貝爾獎獲得者組成的專家組,就該專案發表看法。建造大型強子對撞機的首要目的是尋找一種名為希格斯玻色子的亞原子粒子,它可以解決為什麼光子(傳遞電磁力的粒子)沒有質量,而其對應物,即W和Z玻色子(導致放射性衰變的弱核力中的有效粒子)卻有質量的難題。

物理學家認為,希格斯打破了這些力之間的對稱性,類似於地球引力使空間看起來有上下之分的方式。它透過像其他粒子必須穿過的糖蜜一樣運作來實現這一點。最終結果是我們所知道的質量。

大多數專家組成員表示,他們相信大型強子對撞機會揭示希格斯的存在,因為其存在(或至少是類似的東西)被粒子物理學的標準模型強烈暗示,該模型描述了將原子結合在一起的三種力。(除了電磁力和弱力之外,還有強大的核力,它阻止單個質子和中子分解為更基本的稱為夸克的粒子。)

發現希格斯將結束物理學歷史上長達三十年的篇章。“我們都對大型強子對撞機即將啟動感到非常興奮,”加州大學聖巴巴拉分校的大衛·格羅斯說,他是2004年因闡明強核力而獲得諾貝爾獎的共同獲獎者。

部分熱情源於標準模型非常成功,以至於物理學家沒有關於如何超越它的確鑿線索。專家組成員表示,比希格斯更令人感興趣的是發現負責暗物質的粒子以及解釋為什麼宇宙中物質多於反物質,這兩者都將在基礎物理學中開闢新天地。

然後是一些更遙遠的東西:加州大學伯克利分校的喬治·斯穆特因繪製出宇宙微波背景輻射,證明了大爆炸的存在,而分享了2006年諾貝爾物理學獎,他提到了發現弦理論暗示的額外空間維度的可能性。“我真的抱有很高的希望,也許太高了,”他說。

格羅斯形容自己比較保守,他說他希望大型強子對撞機揭示超對稱性,這是一種提出的理論,即每個粒子都有一個更重的對應物;這樣的發現可以解釋暗物質的存在,並解決粒子物理學中一些揮之不去的巧合,稱為統一和層次問題,這些都與為什麼力的表現彼此如此不同有關。

當然,自然可能會給研究人員一個意外。密歇根大學安阿伯分校的馬蒂納斯·韋爾特曼(與荷蘭烏得勒支大學的傑拉德·特·霍夫特共同獲得1999年諾貝爾獎,他們對弱力所做的研究為希格斯鋪平了道路)提出了一個令人沮喪但推測性的情景,即希格斯存在,但未能出現在大型強子對撞機中。他預測,如果發生這種情況,“這很可能是粒子物理學的末日”。

格羅斯說,這樣的結果,與標準模型背道而馳,本身就“非常令人興奮”。他擔心的是找到希格斯而沒有其他發現,因為那樣就無法說服世界各國政府為未來的機器提供資金,例如提議的國際直線對撞機,該專案在12月遭受打擊,當時國會取消了2008年對該專案美國研發部分的資助

格羅斯說,如果沒有來自自然的一些提示,物理學家甚至不知道要建造多大的機器才能嘗試新發現。“我的噩夢是我們找到希格斯而沒有其他發現,”他說。“我非常有信心我們不會那樣,但這確實是一個噩夢。”

與韋爾特曼分享了他的獎項的第五位專家組成員特·霍夫特說,即使大型強子對撞機除了希格斯什麼都沒發現,物理學家仍將繼續忙於研究它與其他粒子的相互作用方式。他說,先前的粒子加速器之所以被認為是成功的,本質上也是在做同樣的事情。

討論至少觸動了一位獲獎者的神經。卡洛·魯比亞(因導致發現W和Z玻色子的實驗而獲得1984年物理學獎的一半)指責理論家有時“有太多的時間思考”。魯比亞是歐洲核子研究組織的前任總幹事,因其早期在該專案上的工作而被認為是大型強子對撞機之父,現在在多個歐洲機構擔任科學顧問職位,他問韋爾特曼,如果大型強子對撞機沒有發現希格斯,他是否會退還他的諾貝爾獎金。(韋爾特曼回答說他已經花掉了。)

儘管激動和緊迫感,所有諾貝爾獎獲得者都承認,揭示自然的秘密需要時間。然而,這也成了一個敏感的話題。當被問及大型強子對撞機何時進行首次全能量實驗時,魯比亞表現出不耐煩的跡象,並指出故障是預料之中的。“這不會是錯誤,這不會是失敗,”他說,如果出現意外的延遲。“科學界需要平靜和安寧來克服所有這些問題。”

格羅斯指出,至少需要幾年時間才能開始出現希格斯的證據。 4月份在聖路易斯舉行的物理會議上分發的一份大型強子對撞機時間表表明,某些型別的超對稱性應該甚至在希格斯出現之前就出現。

斯穆特總結道:“我們都希望這是一個革命性的局面,無論結果如何,它都會告訴我們一些事情。”

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