中国人为“上帝粒子”贡献了什么

2012-07-09 13:15:26来源: 今晚报 关键字:中国人  上帝粒子
    7月4日这天的全球视频发布会一开始,欧洲原子研究中心主任,一位花白胡子老爷爷,就“卖了个萌”。

“今天是一个非常特殊的日子!第一次举行跨大洲的高能物理视频会议!”他对全世界的顶级物理学家表示,将要介绍一个特殊粒子的数据。但是他说,自己忘记这个粒子叫什么了。

上帝粒子!”电脑前,好多中国科普爱好者不约而同叫了出来。大家都是因为“希格斯-玻色子”而守候在屏幕前它被认为是宇宙形成的关键,给予几乎所有其他粒子质量。

换句话说,质子、粒子的源头都是它。如果一直无法找到“希格斯-玻色子”,物理课本就是一本“假设教材”。

为了寻找“希格斯-玻色子”,过去两年里,全世界有数十万台计算机在运行欧洲大型强子对撞机产生的数据。其中,就包括位于北京的数据处理系统。

中国人也承担了欧洲大型强子对撞机的建造。在核心的CMS探测器中,有五分之一是由中国团队制造并安装的。

“从资金上讲,我们承担了CMS经费的1%。”中科院高能物理研究所研究员、CMS中国组负责人陈国明对记者解释说。CMS是大型强子对撞机中专门用来寻找“上帝粒子”的仪器。此外中国科学家还参与了其他部分的研究和建设。

令陈国明自豪的是,他的团队创造了新的分析方法,使寻找“希格斯-玻色子”的灵敏度提高了30%,“到去年,美国麻省理工学院的一个组又在我们研究的基础上,将灵敏度提高了10%。”

人类寻找“上帝粒子”的努力迈出了一大步,而中国在这条征途上还需要加紧追赶。

我们对宇宙的理解将要改变

对于这场关于“上帝粒子”的发布会,英文推特上的一段对话大概能代表绝大多数人的心声:“我完全不知道他们在说什么。”“嘿,有几个词我好像认识!”

即使到最后,欧洲原子研究中心主任公布的结论也让不少人一头雾水:“我们发现了一个粒子,和已知的SM相符合。”

SM就是“标准模型”,在1967年由物理学家温伯格提出。他认为,一切物体都是由轻子和夸克这两大类基本而不可再分的粒子构成。“标准模型”理论在1979年获得诺贝尔奖。

目前,它预言的61种基本粒子已有60种被发现,只有“希格斯-玻色子”除外。而如果无法找到“希格斯-玻色子”,“标准模型”就无法完全验证,物理学的基础就存在疑问。

“希格斯-玻色子”的存在是由英国理论物理学家彼得·希格斯与其他五名科学家在1964年预言的。他们在7月4日这天一同来到现场,迎接欢呼和掌声。83岁高龄的希格斯说,“我从未想过能在有生之年等到结果。”

不过,科学家们仍然无比谨慎。隶属于欧洲原子研究中心的欧洲大型强子对撞机中有4个探测器LHCb、ALICE、CMS、ATLAS。其中CMS专门用来寻找“希格斯-玻色子”,ATLAS用来寻找新的物理学迹象,都是最为核心的装置。其他两个和“上帝粒子”关系不大。

CMS的发言人讲了寻找“希格斯-玻色子”的过程:先观测到某些粒子衰变之后产生的光子等其他粒子,反推这些光子会不会是大型强子对撞机中粒子碰撞产生的“上帝粒子”衰变而来的。

最后,发言人说,研究达到5个标准误差,即99.99994% 的可信度,全场热烈鼓掌。但这位绅士装束的中年人的确没有说发现了什么。

5个标准误差在粒子研究领域就代表着“发现”。几个月前,美国费米国家实验室也宣布发现了“希格斯-玻色子”,但并没有达到这一标准误差水平。

其实在此之前,人们只知道“上帝粒子”的长度:十亿分之一米,再除以100万。但是科学家现在可以宣布,“新粒子”的质量是氢原子核的133倍左右。

最终,欧洲原子研究中心发布说:“我们观测到一个粒子,与一个‘希格斯-玻色子’相符,但不确定是哪一个玻色子。”

科普网站“果壳网”解释说:“有个东西,看起来像大象,听起来像大象,摸起来也像大象,但我就是不知道它是不是大象。”

无论如何,欧洲原子研究中心这个全世界最严肃的科学研究机构在官方主页断言:“我们对宇宙的理解,将要改变!”

中国人贡献了什么

欧洲大型强子对撞机位于法国和瑞士边境的地下,放置于一条长27公里的圆形隧道内。它在2010年3月正式启动后,每秒钟都进行上千万次爆炸:粒子被环形管道加速后,不断碰撞。每个对撞点上都有啤酒桶型的粒子探测器,用以采集数据。

这些数据先到达日内瓦的欧洲原子研究中心中央计算机,再分送给5个地区的一级计算机中心,然后抵达上百个二级计算机中心。中科院高能物理所就拥有一个二级中心。

最终,数据进入全世界80多个国家地区的几十万台计算机中。仅CMS组和ATLAS组科学家就有超过5000位。

处于CMS核心数据处理位置的科学家有50多人,其中包括4名中国人。此外,中国人也参与了ATLAS组。寻找“上帝粒子”整个项目的中国负责人是中科院高能物理研究所所长陈和生院士。

仅在筹备阶段,大型强子对撞机就花费了来自40个国家的60亿欧元。它每运转1小时,就需要超过134万元人民币。这笔经费由参与实验的各国分担。中国在CMS和ATLAS项目上分别投入了1%和0.5%的经费。

中国部分的经费来自三家单位:国家自然科学基金委、科技部、中国科学院。参与建造CMS和ATLAS的单位是中科院高能物理研究所、中国科技大学、山东大学以及南京大学。

“我在2000年前后开始加入这个包括30多个国家科研人员的CMS探测器建造团队,2003年开始正式制造。”陈国明说,“中国参与的主要部分是探测器端盖上的缪子探测器,就好比啤酒桶的盖子。”

CMS探测器端盖是一个很大的系统,里面有三分之一是由陈国明所在的团队建造并安装调试的,另外还有北京大学的科研人员参与了触发系统的制造。

据悉,中国科研人员还承担了CMS探测器的支架研制工作,“这个支架是可以移动的,还有里面的地板、轨道等,另外探测器电磁量能器的晶体由上海一家单位研制,它在寻找希格斯子中起到很大作用,因为光子就是靠这个晶体来测量的”。

看上去遥远的发现,影响将不可估量

中国对“上帝粒子”的付出,回报是可以分享欧洲大型强子对撞机得到的数据。

目前北京的正负电子对撞机,曾被陈和生称为“我们国家第一个大科学装置”。这个装置于1984年动工,由邓小平亲自奠基。1988年正负电子对撞机建成,邓小平在落成典礼上表示,中国要在世界高科技领域占领一席之地。

目前全球有六个顶级高能物理研究中心。亚洲是中科院高能物理研究所和日本高能所,欧洲是意大利和欧洲原子研究中心,美国则是芝加哥附近的菲利实验室以及纽约长岛的凯文实验室。陈和生表示,中科院高能物理研究所在六大机构中处于中游。

自北京正负电子对撞机开始,上海、兰州、东莞等地相继建设此类大型加速器,列入“十二五”规划的此类大型装置总造价超过20亿元人民币。

但是,北京正负电子对撞机的周长是240米,能量约达40亿电子伏特;而欧洲大型强子对撞机周长27公里,能量可达7万亿电子伏特。

陈国明说,中国高能物理研究起步较晚,到上世纪70年代开始真正实施此类项目,当时从原子弹研究队伍中抽调科研人员,“到丁肇中那里去培训学习,回国后成为我国高能物理领域的核心,并起到了领导作用”。

陈国明说,他自1989年就在丁肇中的实验室中学习,“开始完全摸不着头脑,直到2000年,我一直在做数据分析。”他介绍说,目前我国正负电子对撞机的实验数据已经被国际接受,基本达到世界先进水平。但同时,在探测器研制方面还有一些领域尚未掌握。


比如CMS探测器里的部分内容,另外晶体探测器也是中国科技领域的一个短板,还有微电子学也显得落后。

“这次发现中,中国人也做了很多关键的研究,贡献肯定不止1%。”陈国明说,高能物理是世界前沿的基础科学研究,虽然研究成果现时距离普通人的生活还很遥远,但从更长的时间尺度看就大不一样。

“上世纪初发展起来的物理学第一次革命,推翻了牛顿体系,建立了量子力学体系,还有爱因斯坦的相对论,当时对人们的日常生活没带来任何影响。但很快发展起来的半导体技术整个改变了人们的生活。”陈国明举例说,“我们现在的发现看上去也许很遥远,但对未来生活的影响不可估量。”

关键字:中国人  上帝粒子

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2012/0709/article_13587.html
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