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现代物理学探求夸克的实验

欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）预计年内竣工，这确是2007年世界科技界的一件大事.

物理学家对于它运转后可能获得的一系列重大发现，满怀着美好的憧憬和急切的期盼.因为理论上的突破、建树、延拓，离不开实验实践的步步深入；尤其是一些标志性仪器的创制，对实验探索和理论研究至为关键.凡大型的加速器，往往是粒子物理发展的必要凭借，也是其发展水准的标志之一.LHC当然如此，它预示着：由相对论和量子论之百年辉煌所造就的现代物理学，还会在本世纪迎来其基本理论深层发展的热潮.LHC是世界上迄今最庞大、最高超的加速器.27千米周长的环形隧道中安装两个粒子（质子等强子或重离子）束流管道，又配有四个非常精致、灵敏度极高的探测器（左图即为最大的探测器Atlas），中国科学家也参与其研制.两质子束分别沿两管道反向穿行，加速后对头碰撞；质子-质子相互作用的速率为109个事件/秒，而每个事件又会产生106信息组的数据.筛选、分析如此大量的数据，要求目前已相当发达的电子信息技术“更上一层楼”.再者，那么长的环形管道四周置有能产生甚强磁场的超导电磁铁，须用1.9K的液氦（有70万升之多）冷却，如此大规模的极低温设施实属罕见.建造这台“顶级”加速器，不仅是粒子物理高度发展的标志，也称得上是当今高科技、“大科学”的一个里程碑式宏伟工程.

1.窥探大自然奥秘

众所周知，绝大部分微观粒子是在加速器里发现的.经过加速和碰撞，实现粒子反应，产生新粒子，并探测粒子的性状、结构以及相互作用机制.利用加速器，不仅会发现新粒子，而且可验证，并由此修缮、扩充相关的理论模型.譬如说，CERN的超质子同步加速器（SPS）于1983年发现了传递弱相互作用的中间玻色子W和Z0，这便证实了弱-电统一理论；美国费米实验室的太电子伏（TeV）质子-反质子对撞机（Tevatron）于1995年发现了第六种最重的夸克——顶夸克（t），由以扩充了夸克模型，并确认物质的“基底”粒子层次——夸克-轻子共有三“代”.这两台加速器的能量标度分别高于W、Z玻色子和t夸克的质量.后来，在Tevatron等加速器里，没有产生质量比t更大的夸克和其他特异粒子.LHC里的质子束可加速到极其接近于光速、质子的碰撞能量高达14TeV，此标度比Tevatron提高了约10倍.其束流达到1034个质子/厘米2的甚高亮度，质子-质子相互作用的速率为109个事件/秒，而每个事件又会产生106信息组的数据.筛选、分析如此大量的数据，要求目前已相当发达的电子信息技术“更上一层楼”.再者，27千米长的环形管道四周置有能产生甚强磁场的超导电磁铁，须用1.9K（即约为-271℃）的液氦（有70万升之多）冷却，如此大规模的极低温设施实属罕见.由此可见，建造这台“顶级”加速器，不单是粒子物理高度发展的标志，也算得当今高科技、“大科学”的一个里程碑式的宏伟工程.LHC即将运转.物理学家对它期望颇高，主要有如下几项.其一，或许会有质量大于t夸克的新夸克产生，那末，已发现的三代夸克-轻子的“代”数就该突破，抑或有四代或更多代？其二，致使W、Z玻色子等粒子获得质量的假设希格斯场的量子——希格斯粒子，其质量预言值正在LHC所达到的能量范围，似当出现.其三，所有已发现粒子的超对称对偶粒子隐蔽很深，不仅质量较大，而且有特异的性状和相互作用机制，LHC能否使其崭露其容、即便只是寻觅到间接地证明其存在的隐约踪影？其四，与以往已实现的粒子碰撞反应相比，LHC对撞反应所产生的物质气泡，其密度会更大、温度会更高，能量达到103TeV以上，可能与大爆炸后一瞬间的早期宇宙状态相仿佛.其五，LHC或许会产生多种新的特异粒子（包括超对称对偶粒子），并披露其特异相互作用机制，则为所谓的暗物质、暗能量乃至真空背景的微观机理提供较为确切的解释.凡此种种，都联系着大自然的深层奥秘，涉及宏观、微观、宇观各个物质层面；LHC乃是窥探这大自然奥秘的新窗口.

2.扩展粒子世界疆域

通过高能粒子反应产生重粒子，其实是量子场论与狭义相对论的质能方程相结合的推理结论.基于此，加速器工程的改进和增建，不断地提高其能量标度，则便使有目的地搜索、扩展粒子世界的宽阔疆域成为可能.仅凭这一点，就足以证明，相对论和量子论有无限深厚的物质基础和真理涵容，尚待进一步探索、更充分地展示.诚然，这两个伟大理论之形式结合的结晶，不限于上述之推理结论，相对论量子力学、量子场论本身、量子统一理论等皆然；的确，现代物理的基本理论研究已趋于深入.然而，所谓“形式结合”者，意指这两个理论的概念基础、基本观念相互抵牾.就量子统一理论而言，从1960年代起，弱-电统一理论和强作用、弱作用、电磁作用的“大统一”理论先后告捷，后者又称为粒子物理标准模型.虽然成功，却有美中不足之处，比如所假设的希格斯粒子等尚未发现.进而，包括引力在内的四种相互作用的“超统一”理论以“超弦-超膜”理论为首选模型，也受到普遍关注.该理论还被有些人称作“万物论”，因为它将所有已知的实物粒子及其相互作用场都囊括无遗，甚至还导出引力场和黑洞的量子性状.那末，本已容纳狭义相对论一些原理的量子场论与广义相对论亦便结合一体.所谓“超”者，假设每种粒子都有其超对称对偶粒子；又假设直观的三维空间扩张成非直观的高维超空间，弦和膜即为其中的量子客体.看来，LHC首先要承担的重任是，搜索希格斯粒子和超对称对偶粒子、尽可能辨认从高维空间紧缩并呈现为三维空间的“蛛丝马迹”.LHC倘若搜索到比t夸克更重的新夸克，因“夸克禁闭”之故，谅必以强子喷注的形式显示.物理学家希望有很多未知的强子露面，希望LHC展现一个品种增添而繁富得多的“粒子动物园”；最期盼出现的是特异粒子和特异相互作用机制，因为这关系到对宇宙早期的具体面貌以及对宏观尺度的真空背景的物质构成这两方面的细致探讨.其实，标准模型和弦-膜模型已预言数量可观的未知粒子和未知相互作用（包括非常规的粒子和相互作用）可能出现.所以，无论从基本原理还是具体理论模型，从理论研究结论还是实验探索成果，从微观层面还是宇观和宏观层面来看，粒子世界的疆域必定不断扩展、越来越宽阔.而唯有了解更宽阔的粒子世界，才能充分揭示大自然的深层奥秘.