大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)

CMS正在進(jìn)行關(guān)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(shí)都有科學(xué)家緊張地工作。何農(nóng)攝

原標(biāo)題：探秘世界最大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)

美國(guó)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(shí)，粉碎了一起企圖利用“反物質(zhì)”炸毀梵蒂岡城的陰謀。電影中能量極其強(qiáng)大的“反物質(zhì)”是虛構(gòu)的，但是它的制造機(jī)構(gòu)——?dú)W洲原子能研究中心卻實(shí)際存在。一線記者帶您前往領(lǐng)略虛構(gòu)背后的現(xiàn)實(shí)科技風(fēng)采。

實(shí)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(jīng)過近兩年停機(jī)維護(hù)和升級(jí)后，歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將于本月末正式開啟第二階段運(yùn)行。本報(bào)記者近日應(yīng)邀參觀該中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。

在來自中國(guó)科學(xué)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(yīng)用物理學(xué)家杰奧·羅德里克·安圖納斯博士的陪同下，記者經(jīng)過嚴(yán)格的安檢后，下降到地下約100米深處，實(shí)地參觀了位于法國(guó)境內(nèi)、日內(nèi)瓦郊外法瑞邊境交界處的歐洲原子能研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的四個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jīng)得知，下周內(nèi)（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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)”（LHC）將重新啟動(dòng)，開始第二輪為期2~3年的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

乘坐電梯，只經(jīng)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(zhǎng)度28.7米、直徑15米、重1.4萬噸的CMS探測(cè)器周圍，所有工作人員都在認(rèn)真、嚴(yán)肅地工作著。據(jù)已經(jīng)在這里工作了8年的安圖納斯介紹，這個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器一旦啟動(dòng)，每年只會(huì)在圣誕節(jié)期間停止運(yùn)行2~3周，以便進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢修維護(hù)。但僅僅是開啟和關(guān)閉這個(gè)充滿著電磁量能、強(qiáng)子量能器和超導(dǎo)磁鐵的探測(cè)器，就要耗時(shí)一個(gè)月。關(guān)閉之后還需要5周的時(shí)間恢復(fù)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(dòng)前的最后一批參觀者之一。實(shí)際上，我們參觀時(shí)，CMS探測(cè)器的關(guān)閉過程已經(jīng)開始。

安全第一 謹(jǐn)慎實(shí)驗(yàn)

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(yùn)行中的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)曾發(fā)生過一次爆炸。后來經(jīng)過一年多的停機(jī)修復(fù)，花費(fèi)了5000萬瑞郎的修理費(fèi)，才得以繼續(xù)成功運(yùn)行三年，并于2012年發(fā)現(xiàn)了賦予宇宙萬物以質(zhì)量的希格斯玻色子。自2013年2月起，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)停機(jī)檢修兩年，加速器和探測(cè)器均進(jìn)行了一系列的升級(jí)，現(xiàn)在終于迎來了重新啟動(dòng)的時(shí)刻。

據(jù)悉，吸取了上次事故的教訓(xùn)，這次啟動(dòng)將循序漸進(jìn)，逐漸提高能量，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)超導(dǎo)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(chǎn)生高達(dá)84000高斯的磁場(chǎng)以控制能量高達(dá)7萬億電子伏特的兩束質(zhì)子束流進(jìn)行對(duì)頭碰撞，產(chǎn)生微觀宇宙大爆炸，供粒子物理學(xué)家尋找暗物質(zhì)粒子及許多其他的未知物理現(xiàn)象。在安全的前提下，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)最大的實(shí)驗(yàn)效果。

任忠良是1988年從蘭州大學(xué)被當(dāng)時(shí)的國(guó)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(guó)籍研究人員之一，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)四個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器之一的超環(huán)面譜儀（ATLAS）國(guó)際合作組從事粒子物理研究。中國(guó)是超環(huán)面譜儀34個(gè)合作國(guó)家中的重要一員。

歐洲原子能研究中心由12個(gè)歐洲國(guó)家（比利時(shí)、丹麥、德國(guó)、法國(guó)、希臘、意大利、挪威、瑞典、瑞士、荷蘭、英國(guó)、南斯拉夫）聯(lián)合創(chuàng)建于1954年。經(jīng)過60年的發(fā)展，現(xiàn)在共有21個(gè)正式成員國(guó)（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(gè)申請(qǐng)會(huì)員國(guó)（羅馬尼亞、塞爾維亞）、7個(gè)準(zhǔn)會(huì)員國(guó)（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(gè)觀察員國(guó)或機(jī)構(gòu)（歐盟、印度、日本、俄羅斯、土耳其、聯(lián)合國(guó)教科文組織、美國(guó)）。

耗資甚巨 確保先進(jìn)

據(jù)介紹，歐洲原子能研究中心每年用于運(yùn)營(yíng)整個(gè)加速系統(tǒng)的預(yù)算為8000萬到一億瑞士法郎。整個(gè)系統(tǒng)每小時(shí)耗電12萬度，相當(dāng)于日內(nèi)瓦民用耗電量的二分之一。該中心目前是世界上國(guó)際化程度最高的同類研究機(jī)構(gòu)，現(xiàn)任總干事羅爾夫·豪耶是德國(guó)人，是任忠良在德國(guó)海德堡大學(xué)的校友。

該中心擁有在全球同類研究機(jī)構(gòu)中最好的硬件，包含一個(gè)周長(zhǎng)27公里、貫穿瑞士與法國(guó)邊境的環(huán)形隧道，隧道內(nèi)共建有四個(gè)大型探測(cè)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)底夸克探測(cè)器（LHCb）和大型離子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)（ALICE）。四個(gè)儀器隨時(shí)監(jiān)控記錄數(shù)據(jù)，供科學(xué)家們分析使用。27公里的隧道從20世紀(jì)80年代從地下開挖，曾用于大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP），而于2008年9月開始運(yùn)行的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)則是目前世界上最大、對(duì)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(qiáng)磁場(chǎng)、真空、超低溫（可達(dá)零下271攝氏度）、爆炸風(fēng)險(xiǎn)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(zhǎng)、350噸重的超導(dǎo)磁體，每一根成本是100萬瑞郎。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上安裝了1232根，加上其他幾個(gè)加速器，總共有9600根。超環(huán)面譜儀（ATLAS）加速器長(zhǎng)46米，直徑25米，重7000噸，相當(dāng)于埃菲爾鐵塔的重量，建設(shè)成本是5.5億瑞郎，而這只是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的四個(gè)大型實(shí)驗(yàn)儀器之一。

未來兩至三年內(nèi)，全世界的高能物理學(xué)家都會(huì)再次聚焦“大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)”，其實(shí)驗(yàn)活動(dòng)也有可能為人類生活帶來巨大的改變。例如，有科學(xué)家正在攻關(guān)，使用高能量的質(zhì)子及其他重離子束治療癌癥。如果成功，實(shí)現(xiàn)聚焦病變位置、準(zhǔn)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(xì)胞的痛苦。

在談到目前被媒體炒作最多的“暗物質(zhì)”話題時(shí)，任忠良教授說，反質(zhì)子很難測(cè)到，正電子相對(duì)容易測(cè)到，但不能因?yàn)闇y(cè)到新的正電子，就證明了暗物質(zhì)理論。正電子多出來了，有很多可能性，只有在同時(shí)測(cè)到新的反質(zhì)子也多出來了，才能證明暗物質(zhì)理論。（本報(bào)駐日內(nèi)瓦記者何農(nóng)）