大型強子對撞機

CMS正在進行關閉作業(yè)。

在“緊湊式繆子螺線管磁譜儀”（CMS）位于地面的中控室，24小時都有科學家緊張地工作。何農攝

原標題：探秘世界最大強子對撞機

美國電影《天使與魔鬼》改編自丹·布朗的同名懸疑小說，講述了主人公羅伯特·蘭登教授利用他在破譯密碼方面的知識，粉碎了一起企圖利用“反物質”炸毀梵蒂岡城的陰謀。電影中能量極其強大的“反物質”是虛構的，但是它的制造機構——歐洲原子能研究中心卻實際存在。一線記者帶您前往領略虛構背后的現(xiàn)實科技風采。

實地參觀 親歷備戰(zhàn)

歐洲原子能研究中心主任羅爾夫·霍伊爾日前宣布，在經過近兩年停機維護和升級后，歐洲大型強子對撞機將于本月末正式開啟第二階段運行。本報記者近日應邀參觀該中心大型強子對撞機。

在來自中國科學院高能物理研究所的陳明水博士和來自葡萄牙的工程師、應用物理學家杰奧·羅德里克·安圖納斯博士的陪同下，記者經過嚴格的安檢后，下降到地下約100米深處，實地參觀了位于法國境內、日內瓦郊外法瑞邊境交界處的歐洲原子能研究中心大型強子對撞機上的四個實驗儀器之一“緊湊式繆子螺線管磁譜儀”（CMS）。

此前，記者從歐洲原子能研究中心新聞處的朱莉女士口中已經得知，下周內（3月23日至29日），該中心擁有的世界上最大的加速器“大型強子對撞機”（LHC）將重新啟動，開始第二輪為期2~3年的實驗活動。

乘坐電梯，只經過了65秒，就來到了地下88米深處，緊張備戰(zhàn)的氣氛迎面撲來。記者看到長度28.7米、直徑15米、重1.4萬噸的CMS探測器周圍，所有工作人員都在認真、嚴肅地工作著。據(jù)已經在這里工作了8年的安圖納斯介紹，這個實驗儀器一旦啟動，每年只會在圣誕節(jié)期間停止運行2~3周，以便進行簡單的檢修維護。但僅僅是開啟和關閉這個充滿著電磁量能、強子量能器和超導磁鐵的探測器，就要耗時一個月。關閉之后還需要5周的時間恢復到室溫、去磁，才能讓人看到目前的“安全非工作狀態(tài)”。朱莉女士說，我們一行是啟動前的最后一批參觀者之一。實際上，我們參觀時，CMS探測器的關閉過程已經開始。

安全第一 謹慎實驗

據(jù)在歐洲原子能研究中心從事科研工作的任忠良教授向記者介紹，2008年，運行中的大型強子對撞機曾發(fā)生過一次爆炸。后來經過一年多的停機修復，花費了5000萬瑞郎的修理費，才得以繼續(xù)成功運行三年，并于2012年發(fā)現(xiàn)了賦予宇宙萬物以質量的希格斯玻色子。自2013年2月起，大型強子對撞機停機檢修兩年，加速器和探測器均進行了一系列的升級，現(xiàn)在終于迎來了重新啟動的時刻。

據(jù)悉，吸取了上次事故的教訓，這次啟動將循序漸進，逐漸提高能量，大型強子對撞機超導磁體最大電流將從8000安培逐漸增加到13000安培，而非一下子加滿，這將產生高達84000高斯的磁場以控制能量高達7萬億電子伏特的兩束質子束流進行對頭碰撞，產生微觀宇宙大爆炸，供粒子物理學家尋找暗物質粒子及許多其他的未知物理現(xiàn)象。在安全的前提下，爭取實現(xiàn)最大的實驗效果。

任忠良是1988年從蘭州大學被當時的國家教委選送到歐洲原子能研究中心工作，現(xiàn)在是該中心為數(shù)不多的中國籍研究人員之一，在大型強子對撞機四個實驗儀器之一的超環(huán)面譜儀（ATLAS）國際合作組從事粒子物理研究。中國是超環(huán)面譜儀34個合作國家中的重要一員。

歐洲原子能研究中心由12個歐洲國家（比利時、丹麥、德國、法國、希臘、意大利、挪威、瑞典、瑞士、荷蘭、英國、南斯拉夫）聯(lián)合創(chuàng)建于1954年。經過60年的發(fā)展，現(xiàn)在共有21個正式成員國（南斯拉夫后來退出，再加上奧地利、西班牙、葡萄牙、芬蘭、波蘭、匈牙利、捷克、斯洛伐克、保加利亞和以色列）、2個申請會員國（羅馬尼亞、塞爾維亞）、7個準會員國（巴西、塞浦路斯、巴基斯坦、俄羅斯、斯洛文尼亞、土耳其、烏克蘭），以及7個觀察員國或機構（歐盟、印度、日本、俄羅斯、土耳其、聯(lián)合國教科文組織、美國）。

耗資甚巨 確保先進

據(jù)介紹，歐洲原子能研究中心每年用于運營整個加速系統(tǒng)的預算為8000萬到一億瑞士法郎。整個系統(tǒng)每小時耗電12萬度，相當于日內瓦民用耗電量的二分之一。該中心目前是世界上國際化程度最高的同類研究機構，現(xiàn)任總干事羅爾夫·豪耶是德國人，是任忠良在德國海德堡大學的校友。

該中心擁有在全球同類研究機構中最好的硬件，包含一個周長27公里、貫穿瑞士與法國邊境的環(huán)形隧道，隧道內共建有四個大型探測器，分別是緊湊式繆子螺線管磁譜儀（CMS）、超環(huán)面譜儀（ATLAS）、大型強子對撞機底夸克探測器（LHCb）和大型離子對撞機實驗（ALICE）。四個儀器隨時監(jiān)控記錄數(shù)據(jù)，供科學家們分析使用。27公里的隧道從20世紀80年代從地下開挖，曾用于大型正負電子對撞機（LEP），而于2008年9月開始運行的大型強子對撞機則是目前世界上最大、對撞能量最高的粒子加速器。

在加速器中，粒子被加速到接近在真空中的光速，可以模擬100多億年前的宇宙大爆炸初期的狀況。由于放射性、強磁場、真空、超低溫（可達零下271攝氏度）、爆炸風險等原因，建在地下100米成為最好的選擇。中心的科研硬件成本巨大。任忠良教授向記者介紹說，95米長、350噸重的超導磁體，每一根成本是100萬瑞郎。大型強子對撞機上安裝了1232根，加上其他幾個加速器，總共有9600根。超環(huán)面譜儀（ATLAS）加速器長46米，直徑25米，重7000噸，相當于埃菲爾鐵塔的重量，建設成本是5.5億瑞郎，而這只是大型強子對撞機的四個大型實驗儀器之一。

未來兩至三年內，全世界的高能物理學家都會再次聚焦“大型強子對撞機”，其實驗活動也有可能為人類生活帶來巨大的改變。例如，有科學家正在攻關，使用高能量的質子及其他重離子束治療癌癥。如果成功，實現(xiàn)聚焦病變位置、準確摧毀腫瘤，這將徹底改變目前X射線放射性治療癌癥給病人帶來的損害健康細胞的痛苦。

在談到目前被媒體炒作最多的“暗物質”話題時，任忠良教授說，反質子很難測到，正電子相對容易測到，但不能因為測到新的正電子，就證明了暗物質理論。正電子多出來了，有很多可能性，只有在同時測到新的反質子也多出來了，才能證明暗物質理論。（本報駐日內瓦記者何農）