世界最大强子对撞机撞出了什么

我们很难想象在现实世界里，会看到这样一个庞然大物。这个庞然大物的名字叫大型强子对撞机(LHC)，长27公里，深埋在法国和瑞士边境地下100米的深处，过去二十年里，来自全球八十多个国家的数千名科学家，用了数十亿美元，在打造这个揭开宇宙秘密的解码器，有人说，它是人类有史以来最伟大的科学试验，也有人说，它是爱因斯坦之后，最伟大的物理学里程碑，还有人说，这台机器是继阿波罗计划以后，人类最具雄心的宏伟工程，正像当年我们无法想象相对论带给世界的变化，我们现在也无法想象，它将会给人类的生活和世界的面貌带来一场怎样的革命。

大型强子对撞机将给人类生活和世界面貌带来怎样的革命?

这就是欧洲研究组织的大型强子对撞器，它坐落于瑞士和法国边境地下100米深处的环形隧道，这个大型强子对撞器从构想到建成，已经历时近20年，耗费资金超过80亿美元，吸引了来自全球80多个国家的近5000名科学家参与其中。

2008年9月10日15点30分，这个对撞器上演了微缩版的“宇宙大爆炸”，重现了宇宙诞生时的形态，这个史上规模最大的科学计划，使人类进入了物理学的全新领域，开启了重大物理学发现的一个新黄金时代。

那么这个大规模实验的原理又是什么?原来在这个大型的强子对撞器内部，有一条长达27公里的圆形隧道，在这里科学家们会将质子和离子加速至接近光速，然后使它们相撞，从而模拟出宇宙大爆炸后一万亿分之一秒内的能量和条件，紧接着科学家们会对撞击所产生的残骸物进行细致的分析，以此来探求物质本质的线索，以及自然中新的力量和平衡，最终达到，揭示宇宙起源，寻找“上帝粒子”——希格斯玻色子的目的。

这次的大撞击，将完成六项截然不同实验，其中包括超环面仪器实验和紧凑渺子线圈实验两项大规模实验；大型离子对撞机实验和底夸克实验两项中型实验：以及全截面弹性散射侦测器实验和前行粒子实验。

通过这些实验，一连串未解之谜将被撩开神秘的面纱，“质量的起源是什么?”、“96％的宇宙是由什么构成的?”、“为什么找不到反物质?”、“宇宙诞生后的第一秒又是怎样的状态?”、“空间是否存在额外维度”等等这些谜团，将有望一一破解，由此带来的任何一项科学新发现，都弥足珍贵，足以成为一个个揭秘自然的“金苹果”。

此外，在建造这个大型实验装置的过程中，科学家们已经获得了许多科研成果副产品，比如，互联网最初就是欧洲核子研究中心的科学家为了解决数据传输问题而发明的，为了解决大型强子对撞机海量数据的分析问题，这里的科学家又开始采用分布式计算网络技术将数万台甚至数十万台计算机联合在一起构成全球最强大的超级计算机系统，网格计算技术将对信息时代的科技发展起到重要作用。另外，大型对撞机还将带来一些意想不到的科研成果，比如改进癌症治疗、摧毁核废料的方法以及帮助科学家研究气候变化等。

我们希望这台强子对撞机能成为一把打开宇宙终极秘密的钥匙，这场让全世界都翘首以盼的对撞究竟是怎么发生的?到时候，大家将看到一副怎样的情形?

这个世界上最大、最具威力的强子对撞机是欧洲粒子物理研究所加速复合体的最新研究项目，主要由一个27公里长的超导磁体环和许多促使粒子能沿着特定方向传播的加速结构组成，强子对撞机以及技术方面的基础设施，都安装在欧洲粒子物理研究所的控制中心。

在强子对撞机的内部，两束高能粒子流在彼此相撞之前，以接近光速的速度，分别通过两个不同的，处于超高真空状态的光束管，向相反方向传播。

这两束高能粒子在强磁场的促使下围绕加速环高速运行，而这个强磁场正是利用超导电磁石获得的，这些超导电磁石采用特殊电缆线制成，它们在超导状态下进行操作，能够有效传导电流，几乎没有电阻消耗和能量损失。

而达到这种理想的超导传输，大约需要将磁体冷却到零下271摄氏度，这个温度比外太空的温度还低，正是由于这个原因，大部分加速器都与一个液态氦分流系统和其他设备相连，而这个液态氦分流系统就是用来冷却磁体的。

大型强子对撞机利用数千个种类不同、型号各异的磁体，给加速器周围的粒子束指引方向，这些磁体中包括15米长的1232双极磁体和392四极磁体。

其中，1232双极磁体被用来弯曲粒子束，而392四极磁体每个都有5到7米长，它们被用来集中粒子流，在碰撞之前，大型强子对撞机利用另一种类型的磁体“挤压”粒子，让彼此靠得更近，以增加它们成功相撞的机会。这些粒子非常小，让它们相撞，就如同让从相距10公里的两地发射出来的两根针相撞一样。

在这些特定的条件下，最终，大型对撞机内的粒子流将在加速器环周围的4个区域相撞，而这4个区域正好与粒子探测器的位置相对应，粒子流碰撞后，会模拟出宇宙大爆炸时的形态，宇宙如何诞生?由什么物质构成?宇宙的未来又将如何?人类对这些奥秘的探究将更进一步。

毁灭地球和人类的可能性根本不存在

欧洲大型强子对撞机顺利启动，按照计划，科学家将首批质子导入大型强子对撞机的环形隧道之后，这些质子束将以逆时针方向不断加速运动，当对撞发生的那一瞬间，产生的高温将达到太阳温度的10万倍，也正是因为这些让人难以想象的数据，国外已经有些人开始担心；对撞机一旦失控，会不会导致吞噬地球的黑洞出现，甚至连当今全世界最著名的科学家霍金也加入到这样的讨论中来。

作为大型强子对撞机试验中CMS实验中国组负责人，陈和生所长在实验启动的第一时间收到了欧洲方面的邮件通知，随着实验深入，他会继续参与项目进程，此刻，他领导的工作组成员正在日内瓦紧张的工作。

记者：“这项试验它大概要进行多长时间?”

陈和生：“我想大概至少是12到15年吧，但是估计第一批重大的结果可能两三年就会出现，小的结果可能很快出现，但是重大的结果至少要等两三年。”

记者：“据我所知这项试验进行的过程中会产生一些极端的高温，极端的能量，所以有些人就担心这个试验过程的安全性，您对这个事情怎么看?”

陈和生：“用中国的古话来讲，叫杞人忧天，实际上在过去二十多年，高能加速器，建造的历史当中每一个大型的加速器建成总有一些好事之徒，包括这次发难的人向法院就提出诉讼，说会毁灭地球毁灭人类，实际上这种可能性是根本不存在的，我想最近有很多介绍，类似这样的能量规模的过程在地球每天接收到的，宇宙现实当中每天可能都有，很多这样的事例只是说它在哪发生我们没法预先知道，我们也不可能很好的探测。”

作为有史以来最为复杂的科学

实验，欧洲强子对撞机试验吸引了40多个国家5000多名科学家参与，而我们国家也有将近100人参与到了这项实验中，而就在全世界的目光都在关注欧洲大型强子对撞机实验的时候，在中科院高能物理所也有一台原理类似的机器在工作，这就是北京正负电子对撞机，陈和生院士带记者来到了对撞机控制室，工作人员通过这些屏幕上的实时数据和资料，分析和观察物理现象，这台对撞机在1984年诞生，而目前世界上只有6台这样的电子对撞机。

记者：“到目前为止，正负电子对撞机产生的最有影响力的科技成果是什么?”

陈和生：“做出来了很多世界一流的科技成果，包括发现了一些新的粒子，我想这次重要的科技成就使得我们国家在‘璨物理’研究的能量领域牢牢处在国际领先地位，而且我们的研究成果引导了在这个领域里的国际方向，产生了这个领域的热点。”

中国的平等合作身份会为中国带来怎样的影响?

虽然大型强子对撞机建在了欧洲，但它是一个寄予了全人类共同的梦想，并且由全人类共同打造的科学奇迹，大家也许还不知道，这也是中国第一次以平等合作伙伴的身份，参与到国际顶尖科研项目当中，不仅有很多科学家参与了对撞机的研制和两项主要试验，对撞机探测器的部分结构也在中国研发，并且中国科学家今后可以分享对撞期间的研究数据，这种平等合作的身份，对提升中国的科技实力到底会带来什么帮助?在与世界最顶尖科学家的互动当中，我们又得到了哪些关于中国研发和中国制造的启发?北京大学物理学院院长、国家重点实验室主任叶沿林教授正是这个尖端项目的中方核心参与者，他将为我们回答这些问题。

记者：“那么强子对撞机对于中国的意义可能就是，中国的科学家们中国的机构第一次以平等合作伙伴的身份参与到一个重大的国际科研项目当中去，我想问问，咱们中国的贡献在整个项目当中大概占什么样的一个比重?”

叶沿林：“这一次我的体会是咱们国家政府支持，然后科学家形成群体，我们以平等伙伴的身份进入到这样的最重要的国际合作里面，我们国家是投资的，是给贡献的，但这个投资不是给他们现金，是算成是我们的投资，这些投资是投资给中国的科学家，我们制造出我们的装置，它成为这样一个最先进，最大型的装置的一部分，平等地在里面运转起来，共同获得所需要的。我们参与的是物理的部分，就是在环上面，它有四个地方，位置上边，有物理的实验装置，每一个装置大概是3亿欧元左右，四五亿美元，是在这个装置上边的1％，在其中一个探测器，最大的那个探测器上面。”

记者：“那么我们的贡献在这一个探测器里面相当于1％的贡献?”

叶沿林：“对。”

记者：“但是虽然这个贡献只有1％，但是刚才您说的，它标志着我们中国第一次开始以国家，以机构的这种身份平等地参与国际重大的合作项目，是不是意味我们最后，也可以分享更多的科学果实和数据，那么以前以这种打工的身份或个人名义参加，我们没法去分享到最后的科研的果实?”

叶沿林：“你说的分享这个词儿非常准确，就是以过去那种形势去了以后，等到做这个成果的时候，你得按老板的意志来，那么现在我们以我们这个身份去了以后，大家都签了协议，出来的这些数据，这样一些科学探索的成果，我们就是平等的地位，到里面去选择我们想要做什么事情，我们想要获取什么结果，这个地位是平等的。”

记者：“我听说在这次项目的完成当中，韩国，还有巴基斯坦都有参与的，其中韩国对于这个项目的贡献，甚至比中国还大，但是他们都没有如期地完成这个部件的制造，中国却是按期完成了，并且安装了这个部件，是吗?”

叶沿林：“在我们这一部分是这样的，我们承担的叫做阻性板探测器，这部分探测器在我们参与进去时相当的艰难，就是它当时技术不成熟，西方的很多国家在第一步的时候没有分担这一部分，后来到中国参与进去，韩国、巴基斯坦参与进去的时候大家心里都没底，但是几年做下来以后，我们探测器已经装进去了，而韩国和巴基斯坦可能要到后边升级的过程当中逐步地装上去，就是他们没有在第一时间完成，应该这么说。”

记者：“也可以说我们的中国科学家又一次经受住了考验，完成了一个在科研领域的一个高精尖的设计和制造的难题，至少是在实验里的中国制造难题吧?”

叶沿林：“在科学研究的这个领域，应该说必须完成，我体会起来就是说，当我们小规模地做事情的时候，我做好一个，我就把事情做下去了，可是大规模做事情的时候，它有新的问题，我们2004年就做出来全尺寸的，检测全部合格，然后到大厅展览，我们以为差不多了，实际上随后又出现新的问题了，就是你这一个大尺寸做好了，全尺寸做好了，那300个怎么样，300个组装的时候会出来新的问题。我的体会是这时候是个管理的问题。”

记者：“英特尔的董事长曾经说过，中国的这种研发与制造，把科技转换为生产力，他说美国的大学，美国很多最伟大的科技公司都是诞生在大学或者研究机构当中，他们的机构，机制允许他们的学校、学府，甚至研究机构去把这个一些最尖端的科技转换为生产力，您觉得在这个方面，我国跟其他国家相比，是否有一定的滞后，是否有什么值得西方国家学习的地方，把最尖端的科技转换为生产力?”

叶沿林：“这是个很复杂的问题了，我们国家实际上实践很长一段时间了，我们北大的方正集团，就有做得非常成功的转换。但是我想说另一个层面，就是你刚才说的转换的这个事情，这个好象比较复杂，不仅仅是个技术问题，也不仅仅是科学家的问题，有很多体制方面的事情，我想说一个更直接的事情，就是我们尽管不做产品，我们在做基础研究，就是说像你做一个装置，这个装置是不存在的，它有许多极其苛刻的，极其高精尖的这种要求，这个要求谁来实现，我们也得通过工业界，通过合作伙伴来实现，在实现的过程当中，我们提出的问题，我们反复跟他们确定，反复交流，反复去提升，搞得他们也非常头疼，但是最后他们实现了我们的要求，我们再实现，就是集合起来实现整体的要求，对这些工业的技术的提升，还是有直接的作用。”

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什么是大型强子对撞机?

大型强子对撞机的英文缩写为LHC(Large Hadron Collider)，由三个关键词组成：大型、强子和对撞机。“大型”是指尺寸，它的周长达27公里；“强子”是因为它加速质子或重离子，这些都是参与强相互作用的粒子；“对撞机”是由于它要把两束强子加速到很高的能量并且在其中对撞。

大型强子对撞机此次启动还不是对撞的开始，只是调试，先将第一束质子流注入对撞机，使其以接近光速的速度走通在27公里隧道里的环形真空室；然后，将第二束质子流注

入大型强子对撞机反方向运行，在经过反复调试，稳定加速到高能量之后，才可进行两束质子流的对撞。

有关大型强子对撞机的名词解释

1　粒子加速器。粒子加速器是一种用人工方法产生快速带电粒子束的装置。它利用一定形态的电磁场将电子、质子或重离子等带电粒子加速，能提供速度甚至接近光速的各种高能量的带电粒子束，是人们改变原子核和基本粒子、认识物质深层结构的重要工具。

2　粒子对撞机。粒子对撞机是在高能同步加速器基础上发展起来的一种装置，主要作用是积累并加速相继由前级加速器注入的两束粒子流，到一定强度及能量时使其进行对撞，以产生足够高的反应能量。

3　强子。强子是一种亚原子粒子，所有受到强相互作用影响的亚原子粒子都被称为强子。

4　标准模型。标准模型是一套描述强作用力、弱作用力、电磁力这3种基本力以及组成所有物质的基本粒子的理论。迄今，几乎所有对这3种力的实验结果都符合这套理论的预测，但标准模型并非万有理论，因为它并没有描述引力。标准模型还有个致命缺陷，那就是无法解释物质质量的来源。

5　希格斯玻色子。大型强子对撞机的重要任务之一是帮助科学家寻找标准模型中最后一种未被发现的基本粒子——希格斯玻色子。为了修补标准模型理论大厦的缺陷，英国科学家彼得，希格斯提出了希格斯场的存在，并进而预言了希格斯玻色子的存在。假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源，其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。标准模型预言了62种基本粒子的存在，其他粒子基本都已被实验证实，唯有希格斯玻色子仍未现身。

欧洲大型强子对撞机数据“之最”

自从1980年“大型强子对撞机(LHC)”的构想首度出现以来，历经近30年，这一“世界上最大的机器”终于从梦想成为现实，即将于今年全部建成并开始投入运行。现撷取一些有关它的数据“之最”，记录如下：

1　世界上最大的机器：“大型强子对撞机”不仅是世界上最大的粒子加速器，而且也是世界上最大的机器。它位于瑞士、法国边境地区的地下100米深的环形隧道中，隧道全长26.659公里。

2　地球上最快的“轨道”：如果“开足马力”，数以百万计的粒子将在环形隧道内以每秒11245圈的速度“狂飙”，约等于光速的99.99％。

3　太阳系中最“空旷”的地方：为避免粒子流与气体分子发生碰撞，粒子流都在超高真空的“通道”内运行，其间如同星际空间一样“空旷”，气压仅为10的负13次方个标准大气压，比月球上的大气压还小10倍。

4　最热与最冷的机器：大型强子对撞机是个既极端热又极端冷的机器。当两束粒子流对撞的时候，碰撞点将产生极端高温，可以达到太阳中心温度的10万倍。而与之形成鲜明对比的是，由于采用了超流体氦冷却等手段，对撞机中粒子运行的加速腔在工作时的温度仅为零下271.3摄氏度(1.9开)，比遥远的太空还要冷。

5　全球最强大的超级计算机系统：大型强子对撞机上进行的每一个大型试验一年所获得的数据，可以刻满十万张双层DVD。为了对这些数据进行分析，世界各地成千上万名科学家都参与进来，他们所使用的数万台甚至数十万台计算机借助分布式计算网络(网格计算)联合在一起，这也构成了全球最强大的超级计算机系统。

世界最大对撞机：将破解五大科学谜团

牛顿未完成的工作——什么是质量?

质量的起源是什么?为什么微小粒子拥有质量，而其它一些粒子却没有这种“待遇”?对于这些问题，科学家到现在也没有找到一个确切答案。最有可能的解释似乎可以在希伯斯玻色子身上找到。希伯斯玻色子是“标准模型”这一粒子物理学理论中最后一种尚未被发现的粒子，它的存在是整个“标准模型”的基石。早在1964年，苏格兰物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)便首次预言存在这种粒子，但迄今为止，科学家仍表见过它的庐山真面目。

ATLAS和CMS实验将积极寻找这种难于捉摸的粒子存在迹象。

一个“看不见”的问题——96％的宇宙由什么构成?

我们在宇宙中看到的一切——从小蚂蚁到巨大的星系——都是由普通粒子构成的。这些粒子被统称为物质，它们构成了4％的宇宙。余下的部分据信由暗物质和暗能量构成，对它们进行探测和研究的难度不可想象。研究暗物质和暗能量的性质是当今粒子物理学和宇宙学面临的最大挑战之一。

ATLAS和CMS实验将寻找超级对称的粒子，用于验证一种与暗物质构成有关的假设。

大自然的偏好——为什么找不到反物质?

我们生活在一个由物质构成的世界，宇宙万物——包括我们人类在内都是由物质构成的。反物质就像物质的一个孪生兄弟，但它却携带相反电荷。在宇宙诞生时，“大爆炸”产生了相同数量的物质和反物质。然而，一旦这对孪生兄弟碰面，它们就会“同归于尽”，并最终转换成能量。不知何故，少量物质幸存下来，并形成我们现在生活的宇宙，而它的孪生兄弟反物质却几乎消失得无影无踪。为什么大自然不能一碗水端平，平等对待这对孪生兄弟呢?

LHCb实验将寻找物质与反物质之间的差异，帮助解释大自然为何如此偏向。此前的实验已经观察到两者之间的些许不同，但迄今为止的研究发现还不足以解释宇宙中的物质和暗物质为何在数量上呈现出明显的不均衡。

“大爆炸”的秘密——物质在宇宙诞生后的第一秒呈什么状态?

构成宇宙万物的物质据信来源于一系列密集而炽热的基本粒子。现在宇宙中的普通物质由原子构成，原子拥有一个由质子和中子构成的核子，质子和中子都是被称之为“胶子”的其它粒子束缚夸克形成的。这种束缚非常强大，但在最初的宇宙，由于温度极高加之能量巨大，胶子很难将夸克结合在一起。也就是说，这种束缚似乎是在“大爆炸”发生后的最初几微秒内形成的，此时的宇宙拥有一个由夸克和胶子构成的非常炽热而密集的混合物，也就是所说的“夸克一胶子等离子体”。

ALICE实验将利用大型强子对撞机模拟大爆炸发生后的原始宇宙形态，分析夸克一胶子等离子体的性质。

隐藏的世界——空间的额外维度真的存在吗?

根据爱因斯坦广义相对论，人类生存的三维空间加上时间轴即构成所谓四维空间。后来的理论认为，可能存在拥有隐藏维度的空间。弦理论便暗示额外的空间维度尚未被人类观察到，它们似乎套在高能条件下显现出来。基于这种推测，科学家将对所有探测器获得的数据进行仔细分析，以寻找额外维度存在迹象。

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