開啟強子對撞機 模擬宇宙大爆炸:宇宙大爆炸之前是什么
發(fā)布時間:2020-02-18 來源: 歷史回眸 點擊:
2008年9月10日,科學(xué)家在靠近法國和瑞士邊境的地下實驗室開啟大型強子對撞機,由此開始高速粒子對撞系列實驗。 如果成功,這一系列實驗將模擬宇宙大爆炸發(fā)生時的狀態(tài),有助人類進一步探索宇宙起源之謎。
質(zhì)子束流細如發(fā)絲
當(dāng)?shù)貢r間9月10日上午9時30分左右,隨著一束質(zhì)子束流注入對撞機,實驗正式啟動。負責(zé)實驗的歐洲核子研究中心發(fā)言人葆拉?凱特帕諾說:“質(zhì)子束流粗細如同一根頭發(fā)!
這臺對撞機是世界最大的粒子加速器,建于瑞士和法國邊境地區(qū)地下100米深處的環(huán)形隧道中。
。得腌姾,實驗項目位于日內(nèi)瓦的控制室內(nèi)電腦收到信號,顯示實驗進展順利。
開足馬力的對撞機能夠確保數(shù)萬億粒子以高速流過將近27公里長的地下隧道,最高速度將近每秒鐘30萬公里,相當(dāng)于光速的99.99%。以如此高速,質(zhì)子束流每秒可在隧道內(nèi)狂飆11245圈,單束能量達到7萬億電子伏特。
不過,10日實驗注入對撞機的質(zhì)子流運動速度相對較慢,每隔幾公里為一段,在隧道中移動。這是為了檢測所有設(shè)備是否運行正常,包括安裝在隧道壁上為數(shù)不少的粒子探測器。
實驗啟動近一個小時后,兩個白點在控制室的電腦屏幕上閃爍,顯示質(zhì)子束流已經(jīng)沿隧道環(huán)繞一周。在場科學(xué)家歡呼鼓掌,慶祝第一束質(zhì)子束流成功完成順時針方向“首航”。
之后,科學(xué)家將多次重復(fù)粒子加速測試,不斷提高束流速度,嘗試從順時針和逆時針兩個方向反復(fù)實驗。
“真正的好結(jié)果是,另一束流從另一個方向過來,”歐洲核子研究中心首席發(fā)言人詹姆斯?吉利斯說:“只有當(dāng)兩個方向各有一支束流過來,你才知道確實沒有阻礙,是開始工作的時候了!
模擬宇宙大爆炸
一切就緒之后,科學(xué)家才著手準備粒子高速對撞實驗,繼而再現(xiàn)宇宙大爆炸發(fā)生后萬億分之一秒內(nèi)的情形。
著手粒子高速對撞實驗之前,科學(xué)家會嘗試從兩個方向同時發(fā)射質(zhì)子束流,以較低強度進行粒子對撞。
裝置于隧道內(nèi)的超導(dǎo)磁鐵負責(zé)為發(fā)射自兩端的質(zhì)子束流“掌舵”,確保它們能夠在隧道內(nèi)密布粒子探測器的4個壓縮室內(nèi)相遇!斑@就好像彼此瞄準的機關(guān)槍射出子彈,”物理學(xué)家丹尼爾?丹內(nèi)格瑞解釋說:“一些子彈會擦身而過,一些子彈會撞擊在一起!
現(xiàn)階段尚未確定進行粒子高速對撞實驗的日期。吉利斯說,實驗初始階段將以較低速度、較小規(guī)模進行粒子對撞!拔覀冊谀芰枯^低時積累經(jīng)驗,熟悉機器性能后再進行對撞!
據(jù)估計,粒子高速對撞實驗最早有望在今年年底進行,最晚則可能在一年以后。屆時,運行方向相反的兩束高速質(zhì)子束流將在隧道內(nèi)對撞,碰撞點將釋放巨大熱量和能量,與宇宙大爆炸發(fā)生時的情況相仿,只是規(guī)模較小。
當(dāng)前盛行的宇宙學(xué)觀點認為,宇宙起源于大約150億年前一次大爆炸。當(dāng)時所有物質(zhì)高度密集于硬幣大小的一點,因為溫度極高發(fā)生大爆炸。爆炸發(fā)生后,物質(zhì)向外膨脹形成宇宙,先后誕生星系團、星系、銀河系、恒星和太陽系,以及包括地球和人類在內(nèi)的一切。
探尋“上帝粒子”
如果最后實驗成功,科學(xué)家將分析撞擊中產(chǎn)生的數(shù)百萬粒子,求證希格斯玻色子的存在。
一旦粒子高速對撞成功,科學(xué)家將借助粒子檢測器,在電腦顯示器上觀察撞擊后的粒子如何聚攏在一起、各自散開或就此消融。
上述條件下,科學(xué)家們有望發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子是否在。在粒子物理學(xué)標準模型預(yù)言的62種基本粒子中,只有希格斯玻色子迄今仍未“顯形”,因此有“上帝粒子”之稱。
這種粒子44年前據(jù)英國物理學(xué)家彼得?希格斯猜想提出,據(jù)信是物質(zhì)質(zhì)量之源以及電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎(chǔ)。希格斯提出,其他粒子在希格斯玻色子構(gòu)成的“海洋”中游弋,受它的作用產(chǎn)生慣性,最終有了質(zhì)量。如果沒有質(zhì)量,宇宙大爆炸后產(chǎn)生的物質(zhì)無法形成星云和行星,生命起源更無從談起。
大型強子對撞機在今后10到15年內(nèi)將持續(xù)進行實驗,由此產(chǎn)生的大量粒子數(shù)據(jù)將交由全球各大學(xué)和研究機構(gòu)的實驗室分析。
這一項目的法國方面負責(zé)人羅伯特?艾馬說:“無論實驗帶來什么發(fā)現(xiàn),都將極大豐富人類對世界起源的認識。”
參與實驗的物理學(xué)家丹內(nèi)格瑞認為,實驗的意義在于:“這關(guān)乎探尋人類的知識,關(guān)乎基本物質(zhì)的運作方式!
史上最大實驗
大型強子對撞機項目由歐洲核子研究中心發(fā)起,所涉及的人力、物力、財力和規(guī)?胺Q人類歷史上最大規(guī)模物理實驗。
大型強子對撞機的研究對象是微小的粒子,但這臺機器本身卻體積龐大,包括埋藏在地下100米深處的將近27公里長環(huán)形隧道。整個項目已經(jīng)耗時將近20年,耗資數(shù)十億美元。
來自80多個國家和地區(qū)的7000多名科學(xué)家參與了大型強子對撞機的相關(guān)實驗項目。中國在相關(guān)實驗中投資數(shù)千萬元人民幣并將參與物理分析。中國多個科研機構(gòu)和多所大學(xué)的研究人員參加了部分實驗。
實驗開始前,一些人擔(dān)心粒子高速對撞釋放的巨大能量會導(dǎo)致“黑洞”產(chǎn)生,吞噬地球。歐洲核子研究中心否認有這種可能性。
這家機構(gòu)的發(fā)言人吉利斯稱,相關(guān)言論是“胡說”。他說,實驗可能產(chǎn)生的最危險后果是質(zhì)子束流在全速運轉(zhuǎn)情況下失控,但即便如此也只會對強子對撞機造成損壞,在隧道上撞出幾個坑。(9月11日新華網(wǎng))
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