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探秘欧洲核子中心地下迷宫

发布时间:2017-04-21   文章来源:光明日报

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日前,记者专程来到日内瓦郊外、法瑞边境交界处的欧洲核子研究中心(CERN),下降到地下88米的深处,实地参观了“紧凑缪子螺线管磁谱仪”(CMS)。这一磁谱仪是大型强子对撞机(LHC)上的四个实验仪器之一,位于法国境内。自2015年3月该对撞机重新启动工作以来,这是第一次较长的例行停运、检修。两个月之后,对撞机将逐步重回工作状态。

北京大学教授、在欧洲核子研究中心工作的科学家钱思进博士陪同记者参观并做了精彩讲解。他介绍说,这次重启以来,开始了第二轮为期4年的实验活动。虽然至今尚未有重要的科学突破,但是对撞机在2015至2016年运行中产生的数据,正在被全球的高能物理科学家们分析使用,未来的科研成果值得期待。

地下深处的无线网

“紧凑缪子螺线管磁谱仪”(CMS)是一个长28.7米,直径15米,水平放置的圆柱形粒子探测器,总重量12500吨。这是欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)的四个大型探测器之一。这四个大型探测器包含在一个周长27公里的环形隧道中,贯穿瑞士与法国边境。其他三个大型探测器分别是超环面谱仪(ATLAS)、大型强子对撞机底夸克探测器(LHCb)和大型离子对撞机实验器(ALICE)。

经过不到2分钟的下降,记者乘坐的电梯就到达了“紧凑缪子螺线管磁谱仪”(CMS)的工作平台。钱教授介绍说,一般而言,在大城市的摩天大楼里,人们都会被嘱咐说,一旦发生火灾等危险,千万不要乘坐电梯,而要走步行梯,以避免电梯通道中的火焰和烟雾或避免电梯突然停电。但在这里则完全相反,一旦发生火灾等不测,最安全的地方,反倒是电梯井。原因有两个:一是电梯通道本身是加压的,即使有火灾,火焰、烟雾也不会进入电梯井,而是被推出井外;其次,电梯的供电系统是完全独立的,即使别的地方断电了,这里也不会断电。而且,这个电力系统还有一个备份。所以,电梯,是这个地下约100米的工作平台最安全的地方。

另外一个令人惊讶的事是,在这远离地表的地下深处,竟然有无线网络!为了工作方便,虽然这里有禁止吃喝东西、禁止吸烟等很多禁令,但在这里上网全无障碍。

接近极限的实验

大型强子对撞机(LHC)中有9593根超导磁铁(其中最长的一种磁铁有15米长,共1232根)构成,两束以接近光速相反运行的质子束流在这些磁铁的引导下,在上述四个大型探测器中实现对撞。仪器随时监控记录对撞数据,供科学家们分析使用。钱教授说,虽然每秒钟上亿次的碰撞产生了大量数据,但是绝大多数数据都是平凡的、已知的,不包括极其稀有的新粒子。1964年,英国物理学家彼得·希格斯和比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒各自的独立研究,从理论上预言了所谓希格斯玻色子的存在。近50年来,成千上万的物理学家在各种实验中不断寻找,终于在2012年7月4日,欧洲核子研究中心的科学家在大型强子对撞机(LHC)产生的数百万亿质子对撞中,发现了一些粒子与希格斯玻色子的特征吻合(其概率是一万亿分之一)。这一提取到的实验证据证实了希格斯玻色子的存在。由此,彼得·希格斯和弗朗索瓦·格勒分享了2013年的诺贝尔物理学奖。而这时,当年与恩格勒教授一起合作的研究者罗伯特·布绕特教授已经在几年前去世了。

钱教授介绍说,这近9600根磁铁要在-271.2摄氏度的低温环境下,才能正常工作。为了达到这个接近宇宙低温极限(-273.15摄氏度,即所谓绝对零度)的温度,科学家们要使用大量的液态氮和液态氦。每次降温的过程,需要约130吨的液态氦,这个用量差不多是全世界液氦年产量的1%。因此,欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)启动前和暂时停止运行后,瑞、法边境周围大量背负大罐的卡车川流不息,形成了壮观的一景。

欧洲核子研究中心的关键部分是27公里长的环型隧道,这一隧道从20世纪80年代开始在地下开挖。2008年9月10日,大型强子对撞机(LHC)开始运行,成为目前世界上最大、对撞能量最高的粒子加速器。大型强子对撞机可以把数百万亿计的质子加速至约光速的99.9999991%,即在一秒内,能够在27公里长的轨道上狂奔11245圈。

为何建在地下100米

“紧凑缪子螺线管磁谱仪”(CMS)则首先在地面上分块建造了约10年。CMS由11大块组成,这其中的每块质量都有上千吨,每块都包含成千上万个部件。从造船厂租来的专用吊车将这些大块通过直径15米多的庞大垂直工作井,送抵深达100米的探测器地下大厅,然后再进行拼装。15米直径的垂直竖井看上去很粗,但运输时每一大块探测器的部件与竖井壁的间距仅有约10厘米,因此吊车必须小心翼翼、平稳匀速地下降。上千吨重的成型大块,一旦不慎碰撞上工作井的内壁,后果不堪设想。所以,每大块的下降时间,都要10个小时左右。

那么,拼装在一起的上万吨重的机器,各大块之间是如何实现开启、闭合的呢?这么重的东西,如何实现成本低、操作方便的移动呢?钱教授介绍说,这里用的就是气垫船的原理。用高压空气,在每一大块下部往地面喷压,使其脱离地面1至2毫米,不再有地面摩擦力时,再使用机械推动。

这27公里长的隧道为何建造在地下100米深处而非地面上?首先是为了避免辐射。建在地下深处可以让高能粒子束流运行和对撞产生的对人体有害的辐射被100米厚的土层吸收,这比在地面上在机器外围建造27公里长的很厚的“水泥桶”把机器保护起来更安全高效。其次,根据法、瑞有关法律,地表的财产(如土地、树林、河流和房屋等)有可能是私有的,但地下深处的土地则属于公有。在地下100米开建,从成本上考虑远比在地面买地建造要划算。

据介绍,2008年9月,大型强子对撞机在刚启动9天后的一次运行中,即发生过一次严重的液氦泄漏事故。连接所有9千多根超导磁铁需要五万多个接点,由于其中一个接点接触不良,以至于在超导高电流的情况下发生熔毁,这造成了冷却液管道破损,因此大量液态氦泄露,形成了重大事故。经过14个月的修复和加固后,对撞机于2009年11月重新启动并安全运行至今。

历经60年的使命

1954年,12个欧洲国家(比利时、丹麦、德国、法国、希腊、意大利、挪威、瑞典、瑞士、荷兰、英国、南斯拉夫)联合创建欧洲核子研究中心(南斯拉夫后来退出)。现在共有22个正式成员国(以上11国再加上奥地利、西班牙、葡萄牙、芬兰、波兰、匈牙利、捷克、斯洛伐克、保加利亚、以色列、和罗马尼亚),5个准会员国(印度、塞浦路斯、巴基斯坦、土耳其、乌克兰),1个正在加入的成员国(塞尔维亚),5个申请成员国(巴西、克罗地亚、立陶宛、俄罗斯和斯洛文尼亚),还有5个观察员国或机构(美国、日本、俄罗斯、联合国教科文组织、欧盟)。除此之外,还有40多个非成员国与欧洲核子研究中心签署了科研合作协议。欧洲核子研究中心有2000多名雇员,同时有约13000名来自成员国和非成员国的物理学家来到这里参与科研。其中,有近百位来自中国的物理学家,他们访问研究的时间有长有短。经过60多年的运作和发展,欧洲核子研究中心现在是世界上最开放、最国际化、软硬件条件最好的高能物理实验基地。

据说,当初在为欧洲核子研究中心选址的时候也有其他候选城市。最终日内瓦因为地理位置靠近欧洲中心、“国际化”程度较高而最终胜出。

钱教授概括道,欧洲核子研究中心共有四项主要使命:一是探索微观世界,使人类对大自然的理解突破现有边界,向纵深发展。二是推动新技术的发展,促进新技术应用于人类生活。互联网络技术的基础“万维网”、医疗诊断的人体扫描和机场或海关等处的安保系统的扫描技术(包括检测大型集装箱)等,最初都是由欧洲核子研究中心的科学家们发明或推广应用的。三是培养新的科学人才,训练教师和学生。四是团结全世界不同政治、文化、宗教背景、不同肤色的科学家一起工作、为科学献身。(何农)

文章来源:光明日报   编辑:刘懿霆

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