大型强子对撞机详解 奇异夸克团现象模拟宇宙大爆炸
[b]奇异夸克团[/b] (Strangelet) 是理论中的物质 (hypothetical object)，由上夸克，下夸克和奇异夸克三类夸克组成的物质，若奇异夸克团状态稳定，可产出连锁效应将原子核转变，成温度极高、灰蒙蒙的黏性物质。[align=center][img]http://photocdn.sohu.com/20080910/Img259493480.jpg[/img][/align]据《新科学家》杂志报道，欧洲大型强子对撞机周三进行了第一次主要测试并取得成功。研究人员将一个质子束以顺时针方向注入到加速器中，质子束在55分钟内顺利跑完了全长27公里的隧道。
此次测试于瑞士当地时间9点30分开始。测试过程中，对撞机的隧道被分为几段，每段为数公里，这样研究人员就可以尝试精确的控制质子束。加速器中质子束的速度高达光速的99.9998%。
[align=center][img]http://photocdn.sohu.com/20080910/Img259492870.jpg[/img][/align]对撞机的隧道中被安装了多个名为瞄准仪的吸收装置，该装置用于每隔数公里对质子束进行阻挡。在测试中，当研究人员确认能够精确控制质子束之后，他们就将瞄准仪逐个移除。
大型强子对撞机在测试中表现出的性能好于所有人的预期。研究人员仅仅用了55分钟就操纵质子束跑完27公里的距离，而这还是该对撞机首次投入使用。项目负责人LynEvans此前曾表示，他并不知道完成此次测试会用多长时间，而此前的正负电子对撞机完成这样一次测试需要12小时。
[align=center][img]http://photocdn.sohu.com/20080910/Img259486368.jpg[/img][/align]不过，此次测试并不是一帆风顺的。在测试前一晚，大型强子对撞机制冷系统的一部分出现故障。这一制冷系统可以将对撞机的内部温度降至1.9开，仅仅略高于绝对零度。研究人员连夜对该系统进行了修复，从而保证测试按计划进行。
位于法国与瑞士边界下100米深处，有一个长27公里的圆形机器可能会向我们揭示宇宙起源的奥秘。据一些人说，它可能会毁灭地球上的所有生命。但无论如何，它是世界上最大的机器，它将检测宇宙中最微小的粒子。它就是大型强子对撞机（LHC）。
大型强子对撞机是由欧洲核子研究组织（CERN）牵头的一个项目。大型强子对撞机与瑞士日内瓦附近欧洲核子研究组织的加速器联为一体。
一旦启动，大型强子对撞机将会以近光速的速度投放出质子与离子束，并将让此粒子束彼此撞击，之后记录此撞击所发生的结果。科学家希望这些撞击事件将告诉我们更多有关宇宙是如何起源的以及宇宙由什么组成的内容。
大型强子对撞机是至今建成的最艰巨最强大的粒子加速器。来自几百个国家的数千名科学家一直为它在努力工作，以竞相获得新的发现。大型强子对撞机圆周6处位置可以收集来自不同实验的数据。其中一些实验会彼此重叠，科学家将尽力首次揭开一些重要的新信息。此对撞机的目的就是要加深人类对宇宙的了解。获得新发现的科学家将带头研发相关的实际应用，这就是为何数百名科学家和工程师建造此对撞机的原因。考虑到大型强子对撞机需要花费数十亿美元的经费，且还需要许多国家的通力合作，想必这种神秘粒子的应用是惊人的。
大型强子对撞机寻找什么？
经过让质子快速且拼命地撞击，大型强子对撞机将会让质子分裂成更小的亚粒子。这些微小的亚粒子极不稳定，只存在其衰变前的若干分这一秒之内，之后便与其它亚粒子重组。但根据宇宙大爆炸理论，早期宇宙的所有物质都是由这种微小亚粒子组成的。当宇宙膨胀和冷却时，这些粒子彼此结合形成了较大的粒子如质子和中子。
为力图了解我们的宇宙，包括宇宙如何运作和它的实际结构，科学家提出了所谓“标准模式”的理论。
此理论试图定义和解释构成宇宙的基本粒子。此理论是结合爱因斯坦的相对论和量子理论得出的。它还涉及宇宙四种基本力中的三种，即强大的核力、软弱的核力和电磁力。但它不涉及第四种基本力――引力的效应。
此“标准模式”得出了几种有关宇宙的预报，根据不同的实验，其中许多预报似乎都对了。但还有一些预报没有得到证实。其中之一就是所谓的希格斯玻色子――这种理论粒子至今尚没发现。
希格斯玻色子能回答为何有质量存在的问题。为何物质都有质量？科学家已经识别出一些没有质量的粒子，如微中子。那么为何一种粒子有质量而另一种粒子没有质量？科学家已经提出许多解说来解释质量的存在。其中最简单的解说就是希格斯机理。此理论性粒子从来没有被发现且可能没有存在过。但一些科学家希望LHC制造的撞击事件能揭示希格斯玻色子的存在。其他科学家则希望此撞击事件为我们还没想到的新信息提供线索。
科学家考虑到的其它问题还包括宇宙早期情况下的物质问题。在宇宙诞生的第一时刻，物质和能量是成双成对的。就在物质和能量彼此分开之后，物质与反物质粒子才彼此歼灭。如果物质和反物质等量，这两种类型的粒子就会彼此消灭。但幸运的是，我们宇宙中物质还是比反物质多了一点。科学家希望他们能在LHC撞击事件中观察到反物质。这或许能帮助我们了解当宇宙诞生时为何物质与反物质的数量存在微小的差别。
在大型强子对撞机的研究中，暗物质还可能扮演重要角色。我们目前对宇宙的了解表明我们所能看到的只是占全部物质近4%的正常物质。当我们看到星系和其它天体运动时，我们观察到它们的运动表明宇宙中的物质较我们所探测到物质要多得多。科学家将此无法察觉的物质称为暗物质。总之，可察觉物质和暗物质占大约25%的宇宙，其余四分之三是暗能量。这种假设的能量投身于宇宙膨胀当中。科学家希望他们的实验能为暗物质和暗能量的存在提供进一步的证据。
虽然这只是粒子物理学的冰山一角，但LHC实验会发现更加怪异和违反直觉的事情。
研究奇异东西
如果理论粒子、反物质和暗能量还不足够奇异的话，一些科学家认为大型强子对撞机能揭开其它维度存在的证据。我们习惯于生活在四维世界里，三维空间和第四维的时间。但一些物理学家理论认为还有我们察觉不到的其它维度。比如，弦理论就需要存在的维度得不少于11个。
令科学家困惑不已的一个谜团就是为何引力相对于宇宙中的其它基本力显得如此软弱。一种可能的解释是引力不像其它基本力那样能够向宇宙的各个维度扩张。
因此对我们来说它似乎很微弱。
弦理论学家希望大型强子对撞机将提供证据来支持他们提议的宇宙模式。弦理论表明构成宇宙的基本单元不是粒子而是弦。弦能随意开放或关闭其端口。它们还能振动，类似于弹奏吉它时的弦振动。不同的振动会导致弦表现出不同东西。朝一个方向振动的弦可能表现为电子。朝不同方向振动的不同的弦可能表现为中子。
一些科学家对此弦理论大为批评，称没有证据来支持这种理论。于是有科学家将弦理论连同引力一同融入到宇宙的“标准模式”中，从而融合了爱因斯坦的广义相对论和量子场论。但还是没有证据能支持这些弦的存在。它们太小难以观察到，且目前还没有办法来测试它们。这让一些科学家不得不放弃弦理论，并将它看成是哲学而不是科学。
不过，弦理论学家还是希望大型强子对撞机将会改变批评家的想法。他们正在寻找超对称性的迹象。根据“标准模式”，每种粒子都有反粒子。比如，电子的反粒子是正电子。超对称性表明粒子还有超级伙伴，即有与自己同样的对等物。这意味着每种粒子有3种反粒子。虽然我们在自然界还没有看到这种超级伙伴的任何迹象，但理论学家希望大型强子对撞机将会证明它们确实存在。这意味着超级粒子能解释暗物质，也能帮助引力加入到整个标准模式的阵营中来。
大型强子对撞机的惊人数字
耗资60亿美元的大型强子对撞机是一个重大且强大的机器，共有8个组成部分。每一个部分是一段弧形物，安在所谓插入体的截面的一端。它的圆周有27公里长。此加速器管和撞击室都位于地下100米深处。科学家和工程师得乘电梯或走几处楼梯才能进入此隧道。欧洲核子研究组织正在地面修建房子，好让科学家在此收集和分析大型强子对撞机所产生的数据。
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当质子以99.99%的光速行进时，大型强子对撞机使用磁铁来掌驼这些质子。此磁铁非常巨大，有许多重达好几吨。而在此对撞机内大约有9,600块磁铁。这些磁铁在实验时将会被冷却到零下271.25摄氏度，这比外太空还要冷得多。那么为何要将磁铁冷却到接近绝对零度这样的低温呢？因为在此低温下，此磁铁能在没有任何电阻下工作。为此，大型强子对撞机采用10,800吨液氮来将这些磁铁冷却到零下193.2摄氏度，之后再用大约60吨液氦将它们冷却到余下的温度。
说到真空，质子束在大型强子对撞机中穿行的管道才算是“超高度真空”。之所以制造如此高度的真空是为了避免粒子在到达合适的撞击点之前中途出现撞击。即使单个分子的气体也可能会导致这一实验失败。
科学家可以大型强子对撞机的6个区域进行实验。每一个区域配备有显微镜和数码相机，其中一些显微镜是巨大的。比如ATLAS实验装置长45米、高25米、重7,000吨。大型强子对撞机及其实验装置有大约1.5亿个传感器。这些传感器将收集数据，并将数据发送给不同计算机系统。据欧洲核子研究组织介绍，实验时所收集的数据量将达到每秒大约700兆字节（MB），这意味着一年能产生大约1500万GB的数据。一百万GB是1PB。如此多的数据将可以刻满10万张DVD。
实验期间还需要大量的能量来运转大型强子对撞机。欧洲核子研究组织估计其一年的耗电量将达到80万兆瓦小时（MWh），这个数字可能更大，但此机器冬季将不会运行。根据目前的电价，其一年的电费开支将达到3千万美元。
如何撞击质子
大型强子对撞机的实验原理相当简单，首先你沿着2条路径发出2束粒子，一束顺时针方向前进，另一束逆时针方向前进。你将这两束粒子加速至近光速，之后让它们相向前进，看看会发生什么。
当质子束进入大型强子对撞机时，我们来看看其历程如何。首先科学家剥去氢原子的电子以生产出质子来，之后这些质子进入LINAC2。将质子束射向此加速器的机器叫“PSBooster”。
这些机器利用叫“射频空腔”的装置来加速这些质子。这些空腔包含有射频电场，能将质子束提高到更快的速度。巨大磁铁产生的磁场可以维持质子束在轨道中正常行进。以汽车术语来说，此射频空腔相当于加速器，而磁铁相当于方向盘。
一旦质子束到达适当的能量水平，“PSBooster”就会将它导入另一个加速器――叫“超级质子同步（SPS）”，让质子继续加速前进。至此，此质子束已经被分成了2,808束。每一束含有1.1x1011个质子。之后，“超级质子同步（SPS）”将质子束导入大型强子对撞机，其中一束顺时针方向前进，另一束逆时针方向前进。
在大型强子对撞机里，质子束将继续加速前进，大约20分钟达到顶峰速度。在此顶峰速度下，此质子束将每秒绕行大型强子对撞机11,245周。这两束质子将会在大型强子对撞机沿途6个探测器位置中的1个聚合。在此位置上，它们将每秒发生6亿次撞击。当两个质子撞击时，它们就会分裂成更小的粒子，包括亚原子粒子――夸克和缓和力――胶子(一种理论上假设的无质量的粒子)。此外，它们还会产生光子、正电子和μ介子。之后，探测器将数据发送到栅格计算机系统。
并非每一个质子都会和另一个质子发生撞击。没有发生撞击的质子将继续在质子束中运行，进入束流收集器。此束流收集器由石墨组成，将能吸收此质子束，以防大型强子对撞机里出现意外故障。
探测器如何工作
大型强子对撞机四周的6个探测器将收集数据并引导实验。其中一些探测器将会搜寻同一种信息，但不在同一个方向。它们是4个主要的探测器和2个较小的探测器。名为“AToroidalLHCApparatuS(ATLAS)”的探测器是最大的探测器，长46米、高25米、宽25米。其核心是一个叫内层跟踪器的装置。
此内层跟踪器探测和分析穿越ATLAS探测器的粒子的动量。围绕此内层跟踪器的是量能计，是来测量被它们吸收的粒子的能量。科学家能看到这些粒子的路径，从而推断出它们的相关信息。
ATLAS还有μ介子分光计。μ介子是一种带负电的粒子，比电子重200倍。μ介子能毫无停留地穿过量能计，这是惟一能做到这一点的一种粒子。此分光计通过带电粒子传感器来测量每一个μ介子的动量，这些传感器还能测量到ATLAS探测器磁场中的风吹草动。
紧凑μ介子螺线管(CMS)是另一种大型探测器。如同ATLAS一样，紧凑μ介子螺线管也是多面手探测器，将探测和测量撞击时释放的亚粒子。此探测器位于巨大螺管式磁铁中，此磁铁所产生的磁场比地球磁场强10万倍。
之后就是ALICE探测器，是“大型离子撞击实验（ALargeIonColliderExperiment）”的简写，是专门用于研究离子与离子之间的撞击情况。通过高速撞击铁离子，科学家希望重造宇宙大爆炸后的即时状况。他们期望看到此离子分裂成夸克和胶子。ALICE的主要部件是定时发射膛(TPC)，能检查和重建粒子轨道。像ATLAS和CMS探测器一样，ALICE也有μ介子分光计。
下一个就是大型强子对撞机完美（LHCb）探测器，其目的是搜寻反物质的证据。即通过搜寻所谓的完美夸克粒子来实验其目标。此探测器撞击点有20米长，周围布满一系列的亚探测器。这些探测器能以精微方向移动，以捕获完美夸克粒子，因此它们极不稳定且衰变迅速。
全截面弹性散射侦测器(TOTEM)实验是大型强子对撞机中2个小型探测器中的一个。它将测量质子大小和大型强子对撞机的发光度。在粒子物理学中，发光度是指粒子加速器产生撞击的精确度。
最后是大型强子对撞机前进（LHCf）探测器。此实验是模仿在可控制环境下的宇宙射线。其目的是帮助科学家找到设计大区域实验的方法，以研究自然发生的宇宙射线撞击。
每一个探测器都有从几十到上千名科学家参与研制。在一些情形下，科学家将搜寻同一信息。对他们来说，这是物理学下一个革命性发现的竞技比赛。
如何计算所收集到的数据
大型强子对撞机探测器每年将收集到1500万GB的数据。因此科学家有巨大的数据处理任务。那么如何处理这么多的数据呢?如何知道这么多数据中有意义重大的数据呢？这得靠超级计算机处理才行。即使超级计算机处理这么多数据也需要数千小时。与此同时，大型强子对撞机还将继续源源不断地产生更多的数据。
欧洲核子研究组织解决此问题的办法就是LHC计算网格。
此网格是一个计算机网络，每一台计算机能各自分析大量的数据。一旦计算机完成其自己的分析工作，就会将其发现发送到中心计算机，从而再接受新数据进行分析。只要科学家能将数据分成不同的块，此系统就能很好地工作。在计算机行业，这叫“网格计算”。
欧洲核子研究组织的科学家决定了集中利用相对便宜的设备完成他们的计算工作，而不准备购买前沿的数据服务器和处理器。此办法类似于Google所采用的策略。通过利用所谓中间件的特种软件，此计算机网络能贮存和分析大型强子对撞机每一次实验所产生的大量数据。此系统结构组织布局如下：0排是欧洲核子研究组织的计算机系统，将最先处理数据信息，并将它分成不同的块，供其它排的计算机处理。1排的12台计算机位于几个国家，将通过专用计算机联接来接受来自欧洲核子研究组织的数据。这些计算机联接能以每秒10GB的速度传输数据。1排的计算机将进一步处理数据，再将它分块，发送给下面一排的计算机。
2排100多台计算机将与1排的计算机相连。其中大多数计算机是大学和科研所的计算机，每一处地方将有多台计算机投入使用，用于处理和分析数据。当每一项处理工作完成，这些地方就会将分析结果返回给前排的计算机系统。1排和2排的连接是标准的网络连接。任何2排的计算机都能访问1排的计算机，从而让大学和科研所有机会能重点获取特别的数据信息，进行特定的研究。
如此大计算机网络的一大挑战就是数据安全。欧洲核子研究组织决定不给它装防火墙，因为这会造成此系统出现大量的数据阻塞。相反，此系统则通过身份识别和认可手续来防止未经认可的非法入侵。一些人认为数据安全的担忧是一个尚在争论中的论点，因为他们认为大型强子对撞机会最终毁灭整个世界。
大型强子对撞机会毁灭整个世界吗？
大型强子对撞机将让科学家观察到更高能量的粒子撞击。一些人担心如此大能量的撞击反应会导致地球出现严重问题。实际上，有少数人已经起诉了这一事件。2008年3月，前核能安全官沃尔特•瓦格纳和卢伊斯•山其欧在夏威夷的美国联邦地方法院提交了起诉状，称大型强子对撞机会毁灭整个世界。
那果真会如此吗？其中一个担忧是大型强子对撞机能产生黑洞，而科学家也承认大型强子对撞机能产生黑洞，但他们表示这些黑洞是亚原子级别的，且马上会崩溃。
而天文学家研究的黑洞是整个恒星本身坍塌形成的，二者之间大有不同，是质量巨大的恒星比对微小的质子。
另一个担忧是大型强子对撞机将产生奇异物质，叫“奇异子”(strangelets,一种包含非通常夸克的假想粒子物质)。奇异子的一个可能的特性就是特别令人不安。宇宙学家理论认为奇异子拥有强大引力场，能让它们将整个行星变为无生命的废物。
科学家多个方面来解除这种担忧。首先，他们指出奇异子是假设的。没有人在宇宙中观察到这种物质。其二，这些物质周围的电磁场会排斥正常物质而不是将它变成其它东西。第三，他们表示即使有这种物质存在，它们也会高度不稳定，会瞬间衰变。第四，科学家表示高能量宇宙射线将会自然产生这种物质。由于地球是圆的，因此他们理论认为奇异子将对地球无可奈何。
此外，大型强子对撞机可能产生的另一种理论粒子是磁单极子，它是只有一个磁极而不是通常的两个磁极的一种假想的粒子。瓦格纳和山其欧提出的担忧就是这种粒子。它们能通过其不均衡的磁荷将物质分开。科学家不认同这一说法，表示如果磁单极子存在，没有理由害怕这种粒子会导致这样的破坏。事实上，至少有一支科学家小组正在积极寻找磁单极子的证据，希望大型强子对撞机会产生一些。
其它担忧还包括辐射和高能撞击的粒子。欧洲核子研究组织表明大型强子对撞机是安全的，其上面有100米厚的防护土层。此外，实验期间不允许个人进入地下。至于此撞击事件，宇宙时刻都在发生高能宇宙射线撞击，射线时常撞击月球、太阳和其它行星，但并没有出现破坏迹象。何况这种撞击还在可控环境下进行。
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