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  • 我国高能物理学家谈LHC:我们是国际高能物理的有机部分

    来源:www.shuoshisheng.net 发布时间:2019-12-08

    作者:王丹红资料来源:科学时报发布日期:2008年

    中国高能物理学家谈LHC:我们是国际高能物理的有机组成部分

    在项目的整个建设和运行过程中,中国科学家参与了建设、数据共享和联合研究,已经并将继续做出贡献

    9月10日,物理学家在欧洲粒子物理研究中心大型强子对撞机控制室看到了LHC的第一束粒子。 (照片来源:欧洲粒子物理中心)

    ATLAS MDT,中国科学院高能物理研究所制造的大型强子对撞机探测器 (照片:金山)

    从9月10日的启动运行开始,第一股质子流成功绕隧道一周,直到9月20日氦泄漏暂时停止两个月,欧洲大型强子对撞机(LHC)吸引了全世界的目光,触动了物理学家的心灵。

    “我们相信LHC会有重大的科学发现,这是物理学上的一个里程碑 粒子物理学家、中国科学院高能物理研究所所长陈和生说:“我希望LHC能尽快产生数据。”。我们可以分析这些数据并研究它们的物理。 “

    粒子物理学家、高能物理研究所实验物理中心副主任研究员金山说:“人类想要了解自然的本质,探索质量的来源。LHC实验打开了一个从未存在过的宝库,非常令人兴奋。" "

    建造在欧洲粒子物理中心的LHC是人类建造的最大和最复杂的科学设备。质子加速碰撞的能量是当前世界高能记录的7倍。 在20多年的时间里,它已经花费了55亿美元。参与该项目的科学家和资金来自几十个国家,包括欧洲的20个欧洲核子研究中心成员国,美国、日本和俄罗斯等6个观察国,以及加拿大和中国等其他参与国。

    为什么科学家必须建造如此巨大的设备?中国政府和中国科学家在其中扮演了什么角色?

    陈和生和金山分别是中国移动通信系统和阿特拉斯LHC实验项目组的组长 几天前,在中国科学院高能物理研究所办公室,记者《科学时报》采访了他们。

    贡献给分享

    LHC是一个高能物理装置,它加速质子碰撞。它位于瑞士日内瓦的欧洲粒子物理研究中心 它位于地下100米,圆形隧道长27公里,东起瑞士的日内瓦湖,西至法国的汝拉山。它的轨道有四个大型探测器,每个重近10,000吨;来自80多个国家的数千名科学家和工程师花了10多年时间完成了这个项目。

    陈和生说,在LHC,质子被加速到7万亿电子伏特的高能状态,这是静止质子质量的7000倍,也是目前最高能量记录的7倍。高速质子在隧道中相互靠近,在隧道的四个碰撞点剧烈碰撞,产生越来越多的小粒子。此时,位于碰撞点的探测器将记录每次碰撞产生的各种粒子,并将数据传输到LHC的中央计算系统。名为“网格网络”的数据传输系统通过专用光纤将数据传输到世界各地研究机构的计算机集群平台,世界各地的物理学家可以将这些数据用于物理分析和研究。

    你为什么花这么多时间建造这样的设备?陈和生说:“这个装置允许质子产生如此高的能量并相互碰撞。这是一个全新的高能区域,因此人类可以探测到以前从未接触过的高能区域,并在这里发现新的粒子和研究新的物理现象。” 这是主要目标 “

    金山说LHC实验有几个特点。从科学的角度来说,LHC实验肯定是世界上最先进的。它使用物理手段来解释各种现象,并从物质本身的性质来理解和理解物质。这是理想主义的自然追求。它将揭示一个深刻的本质问题质量从何而来?

    谈到中国的贡献,陈和生认为,中国政府非常重视中国科学家参与LHC的建设和研究。 中国科技部、自然科学基金委员会和中国科学家共同支持了两个探测器CMS和ATLAS的建设。许多中国大学也以自筹资金的方式参与了另外两个探测器ALICE和LHCb的建设,总额超过8000万元。 “这个数额对我们国家来说是一大笔钱。我们对合作医疗建设的贡献约为1% “

    在LHC的全球大网格网络平台中,中国的节点建在中国科学院高能物理研究所,这是一个由数千个中央处理器单元集成的计算机平台 “我们必须为分享全球平台做出贡献 陈和生说:“这意味着在LHC实验开始后,我们可以分析数据,研究物理,并作为中国科学家做出我们应有的贡献。” 此外,随着国家资金的进一步投资,该平台的容量预计将增加一倍。 “寻找希格斯粒子”孩子们经常问他们的母亲:“我从哪里来?“物理学家一直在探索一个更基本的问题:质量从何而来?宇宙是如何起源和进化的?

    我们已经知道物质由分子组成,分子由原子组成,原子由原子核和电子组成,原子核由质子组成,中子由夸克组成.那么,这些基本粒子的质量来自哪里?

    科学家们认为一种叫做希格斯粒子给了其他粒子质量 上个世纪,理论家利用英国科学家彼得希格斯提出的机制引入了标量粒子,后来称之为“希格斯粒子”,以解决在建立粒子物理标准模型时调节场粒子零静态质量的问题。

    物理学家称描述基本粒子的理论为“标准模型”,它可以解释已知世界中的大多数现象。“模型”一词表明这一理论尚未完成,仍在不断发展。 标准模型的主要内容形成于20世纪70年代和80年代,此后逐渐完善。 1995年,费米国家实验室宣布发现了顶部夸克。迄今为止,由描述粒子物理的标准模型预测的61个基本粒子中的60个已经得到实验数据的支持和验证,最后一个未被发现的粒子是希格斯粒子。

    为什么建造如此巨大的设备来寻找这些难以捉摸的粒子?“较大的粒子通常需要更高的碰撞能量来产生 金山说:“我们不是在寻找这个或那个粒子,而是在研究它们,以了解整个自然界或宇宙中质量的起源。”。 物理学家认为,如果希格斯粒子存在,LHC肯定能够探测到这个粒子,测量它的质量,并确定它与其他粒子的相互作用。 "

    但是如果找不到希格斯粒子呢?“这是一个问题的两个方面 如果标准模型预测的希格斯粒子存在,LHC肯定会找到它,我们坚信这一点。如果找不到,实际上更有趣,这表明标准模型中关于希格斯粒子的假设是错误的,必须发明新的理论,新的挑战已经出现。 从科学的角度来说,这是一个无穷无尽的领域。 ”金山说道

    如果我们找到希格斯粒子并证明标准模型是成功的,这是否意味着粒子物理学已经走到了尽头?

    “不,这只是人类了解世界的一个新的起点 ”陈和生说 20世纪初,英国物理学家开尔文(Kelvin)在展示物理学前景时表示,在物理学美好的一天空有两个乌云漂浮,因为当时的物理学似乎很完美,只有迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射实验无法解释。 对这两种现象的研究导致了量子力学和相对论的诞生。 然而,在今天的物理学日空,却是乌云,因为对宇宙的最新研究表明,现代物理学只能解释宇宙中4%的已知物质,而另外96%的成分是由暗物质和暗能量组成的。物理学对它们的本质一无所知,这是21世纪物理学面临的新挑战 “如果LHC能够找到暗物质粒子,它将成为穿透乌云的第一缕阳光,彻底改变物理学日空 “

    为中国科学家做出贡献

    金山在寻找希格斯粒子方面是不可分割的

    他在欧洲粒子物理研究所大型正电子对撞机的一个研究小组工作了近6年,寻找希格斯粒子。2000年,他的研究团队在LEP质量为115 GeV(10亿电子伏特)的地方看到了希格斯粒子的迹象,“当时,我们看到了三个与希格斯粒子非常相似的案例,文章也发表了,引起了全世界的轰动。美国的《纽约时报》和英国的英国广播公司等媒体整天都在欧洲核子研究中心报道。他们称这三种粒子为“金候选粒子”,然而,当时并未证实它们是希格斯粒子,但它们非常相似,必须通过大量统计数据来证明。然而,我们已经将希格斯粒子质量的下限提高到了115GeV。 此时,LEP能量还没有加起来,需要更高能量的加速器,也就是说,只有更高能量的加速器才能击败更重的粒子

    LEP建于1989年,主要是为了寻找希格斯粒子;2001年,LEP被关闭,为LHC建设腾出了隧道。

    2001年,金山回到正在攻读博士学位的中国科学院高能物理研究所,负责北京正负电子对撞机北京谱仪实验的物理研究。在北京分光计实验中,发现了像X1835这样的新粒子。 2007年,他接替一名退休研究员担任LHC阿特拉斯实验中国团队的负责人。 当他开始新的发现之旅时,他非常兴奋:“这似乎是一个循环。10多年前,我直接参与了LEP中希格斯粒子的三个金候选者的发现。今天,我参加了LHC实验,再次找到希格斯粒子。这是一件非常令人兴奋的事情。 阿特拉斯中国按时按质完成了探测器的建造、安装和调试。下一步是进行物理分析并获得物理结果。 目前,ATLAS实验研究合作小组已经正式认可了10个与希格斯粒子相关的课题,我们中国小组的成员被指定为其中一个课题的召集人。 可以说,我们在热门话题的前沿占据了重要位置。 “

    有这么多科学家团体试图找到希格斯粒子,中国团体有什么优势?

    “坦率地说,我们的优势并不明显。中国队的体能分析工作起步较晚,投资有限,经验相对不足。 例如,我们中国组的四个单位从教授到研究生共有20多人,而在德国马克斯普朗克的一个相关研究小组中,有10多名博士后。我曾经工作过的美国威斯康星大学希格斯研究小组已经学习了10多年。因此,就人力、经验和财政资源而言,我们与他们的数量级不同。 但是为什么呢?我认为在这个前沿科学研究中,我们应该从中国科学家那里做出独特的贡献,这应该是我们的目标!“

    从纵向来看,该国的投资正在增加 金山说:“LEP刚建成时,中国政府投入了一定的资金,但对后来的物理研究投入很少。” 当时,许多在LEP工作的中国科学家在其他国家的研究小组工作。他们做了非常漂亮的工作,为麻风病人做出了巨大的贡献,但是他们不能说是中国人的独立贡献。这是一件非常令人遗憾的事情。 目前,中国政府不仅投资于LHC的建设,还投资于建设后的物理研究。ATLAS和CMS实验各投资1000多万元,专门用于物理分析和研究。这是一个巨大的进步。 “

    ”我们是国际高能物理的有机组成部分“

    中国高能物理在世界上的地位是什么?LHC的建成将如何影响中国高能物理的研究?

    陈和生说,中国科学院高能物理研究所成立于1973年。北京正负电子对撞机是在几代中国领导人的关怀下建成的。邓小平同志参加了1984年的奠基仪式和1988年的就职典礼,并在就职典礼上发表了《中国必须在世界高科技领域占有一席之地》的重要讲话。 “经过20多年的努力,研究所的所有同志都没有辜负邓小平同志的期望。我们在北京正负电子对撞机上取得了很好的成就,已经在世界高能物理领域占有一席之地。我们对魅力夸克的研究一直处于世界领先地位,重新激活了曾经平静的魅力物理学。 从2004年开始,国家投入6.4亿元对北京正负电子对撞机进行重大工程改造,预计性能将提高100倍。目前,我们已经完成了施工任务,正在调试过程中。 来自美国、俄罗斯、日本、意大利等国家的科学家也参与了北京谱仪的合作,共同研究粒子物理学中最前沿的问题。 可以说,没有北京正负电子对撞机的精确研究结果,许多问题是无法回答的。我们是全世界高能物理研究的有机组成部分。

    “自20世纪80年代初以来,中国科学院与欧洲粒子物理研究中心建立了合作协议。有大量的人员和技术交流。我们为那里的许多实验做出了重要贡献,他们也在人员培训和技术方面给予了我们很多支持。 今天,LHC的建成将进一步促进这种合作关系。 今天,当你看到LHC时,你会认为中国的正负电子对撞机应该得到更多的支持和关注,并希望吸引更多的年轻人参与粒子物理研究。 ”陈和生说

    《科学时报》 (2008-11-5 A2综合)

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