等待希格斯玻色子,與建造大型強子對撞機的人

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他們稱它為“機器”。

成千上萬在大型強子對撞機(LHC)工作的物理學家正在尋找希格斯玻色子和其他新的粒子,他們中的許多人參與了建造巨大的探測器,這些探測器最近成了媒體關注的焦點。


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但在法瑞邊境地下100米處嗡嗡作響的是使這一切成為可能的裝置。“機器”本身就是對撞機:粒子加速器,它將成群的質子輸送到探測器——透過強烈的磁場引導它們,為其注入能量,最終將它們以頭髮的寬度相互撞擊。建造粒子加速器與建造粒子探測器或尋找新的粒子是完全不同的工作。從事這項工作的專家被稱為加速器物理學家。

粒子物理學家生活在一個量子世界中——一個破壞粒子、創造新粒子以及構成基本力的過程的世界——並夢想發現21世紀新的自然規律。

加速器物理學家在相對默默無聞的情況下工作,使用射頻波和巨型特斯拉線圈等工具,並且主要依賴於一個多世紀以前的物理學——經典的電磁學,以及大量的狹義相對論。

當我們都在日內瓦等待明天關於希格斯玻色子的最新訊息時,我遇到了林恩·埃文斯,他最近在歐洲核子研究中心(CERN)擔任加速器物理學家四十年後退休。在那幾年裡,他參與了LHC的啟動,並從1994年開始,他負責監督其設計和建造。

今天早上,埃文斯在歐洲核子研究中心的訪客中心接了我。我們穿過迷宮般的相連走廊,直到走到他的車旁。開車很快就把我們帶到了這個科學城堡外圍的另一棟建築物。

在那裡,我們坐在他的辦公室裡聊天。像我交談過的其他所有專家一樣,埃文斯說,明天的公告只是朝著希格斯玻色子邁出的一步,而不是最終的答案。“對每個人來說,我們還沒有足夠的資料是顯而易見的,”他說。

但是,為了更快地獲得更多資料,粒子物理學家依賴於機器——到目前為止,這臺機器已經交付了。今年,歐洲核子研究中心的加速器物理學家已經能夠以比預期更快的速度提高光束強度,併產生比粒子物理學家希望獲得的多五倍的碰撞。“我認為每個人都感到驚訝——即使是我,也有點驚訝”這臺機器到目前為止的表現。

情況並非總是如此。就在三年前,這臺機器在一場嚴重的事故後癱瘓了。它發生在LHC環的34扇區。2008年9月19日,在LHC首次啟動一週多後,連線構成LHC的15米長、35噸重的兩個磁體的電纜熔斷,產生了一個電弧。突然,將磁體保持在1.9開爾文的超導溫度的液氦蒸發了。設計用於釋放由此產生的氣體的閥門無法足夠快地做到這一點,並隨之發生了衝擊波——如此劇烈,以至於嚴重損壞了53個磁體。

“從那次事故中恢復過來真的很艱難,”埃文斯說。他回憶說,當時他在人事部門,他接到了加速器控制室的電話。他很快就下去檢查損壞情況,因為隧道里充滿了氦氣,所以他戴著呼吸器。埃文斯說,一個電接頭可能會失效並不奇怪。“令人意外的是附帶損害。”

LHC將氦氣冷卻到低溫以使磁體超導,以便它們可以攜帶更多電流併產生更強大的磁場。但是,埃文斯解釋說,在1.9開爾文時,氦氣的溫度比芝加哥附近費米實驗室的LHC的前身Tevatron的溫度還要低。特別是,它低於使其成為超流體的臨界溫度。

超流體是一種奇異的物質狀態,它會大大降低粘度,從而使液體能夠更有效地浸泡磁體所用的多孔材料,從而帶走任何雜散的熱量。(埃文斯說,超流體氦的導熱能力也比任何其他材料高10,000倍。)

(碰巧的是,磁體的超導性和氦的超流性都是量子效應,因此說粒子加速器完全基於經典物理學已經不再完全正確了。)

粒子物理學家為重大發現做準備時,歐洲核子研究中心的機器專家已經在展望即將到來的升級。部分原因是34扇區事故,歐洲核子研究中心已決定以一半的能量進行首次執行。但在2013年,該實驗室將完全關閉加速器整整一年。

首先,歐洲核子研究中心團隊將抽出液氦。其中一部分將被液化並儲存,但歐洲核子研究中心沒有足夠的儲存空間來存放其全部150噸液氦,因此它將在市場上出售大約一半的液氦。然後,他們將在機器內部迴圈氦氣,以使其50,000噸的重量逐漸升至室溫,這一過程將需要數週時間。“對你可以做到這一點的速度有限制,”埃文斯說:不太溫和的溫度梯度很容易破壞裝置。

在停工期間,歐洲核子研究中心將把LHC提升到其設計規格,然後開始費力的冷卻過程,以便加速器可以重新啟動。再一次,使這一切發生將是機器人員的工作。

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