歐洲共同加速器中心建造的大強子對撞機(LHC)今天下午將正式啟動,首度注入質子束並試運轉。
台灣在這項大型國際合作計畫中沒有缺席,中央研究院參與ATLAS偵測器實驗;台灣大學和中央大學共同參與CMS實驗,一起探索物質的起源、解開宇宙的未知、尋找新物理現象。
台灣大學物理系主任也是CMS計畫主持人熊怡解釋,LHC有八個區段,遍布一千六百個超導磁鐵,這些超導磁鐵要保持攝氏零下二百七十一度。
他指出,一開始先要驅動LHC的「超級質子同步加速器」,注入高能量的質子束到LHC中運行,保持精準的同步運作狀態,提高能量,預計十月廿一日進行對撞,屆時將撞出太陽中心十億倍的高溫,但熱的時間很短,小於一奈秒。
他指出,LHC可以將質子的能量提高至七TeV(七兆電子伏特),也就是將質子加速到百分之九十九點九九的光速對撞。
台灣的研究團隊加入的實驗則是分別分析研究ATLAS和CMS偵測器紀錄的數據。
熊怡以人像攝影為例解釋,人物是物理現象,LHC是燈光,偵測器則是相機,用來記錄實驗結果。ATLAS和CMS偵測器都可以在極短的時間內,記錄下數量大又細微的實驗數據,目前有來自卅國、一百六十個研究單位,超過兩千個科學家參與研究。
熊怡說,目前物理的標準模型只能解釋百分之四的宇宙物質,剩下的百分之九十六仍然未知,LHC實驗就是希望能探索這些未知,解答古老的問題:質量是什麼?其他的宇宙成分為何?反物質為何消失了?暗能量、暗物質是什麼?太多數不清的問題。
熊怡說,現在物理學家認為,希格斯粒子可能解開質量的奧秘,台灣參與的兩個計畫,都以尋找希格斯粒子為首要目標。
中研院物理所研究員李世昌說,LHC開始運作時,每年會產生十五petabyes,等於一千五百萬GB的數驗數據,輕易塞滿一百萬張DVD,要依賴「網格電腦」傳送到全世界的電腦中心,中研院並成立了亞洲唯一的Tier 1電腦中心。
美國作家丹布朗小說「天使與魔鬼」以CERN為背景,其中的研究人員發現了反物質,可以用做毀滅性的武器;今年初也有人認為LHC可能製造出黑洞,導致世界末日。
李世昌認為,對撞成功的能量的確可能造成黑洞,但是以現在的理解來看,宇宙射線的能量大概是LHC的一百萬倍,每天不斷產生,如此高能的質子打在地球上,十億、廿億年,地球並沒有消失。
他說,質子束以每廿五奈秒撞一次,頻率與量度會慢慢提高,接下來一到一個半月間收集數據分析,順利的話明年春天會再對撞第二次,一開始應會先驗證目前已知的物理現象。
李世昌強調,今天注入質子束運轉與下個月的對撞都不一定會成功,可能還要一再調整、嘗試。
位於瑞士與法國邊界的大型強子對撞機(Large Hadron Collider)是世界上能量最高的粒子加速器。LHC將把質子對以質心能量14TeV進行對撞,能量約是前一個能量最高的加速器Tevatron的七倍。
由於整個實驗的能量及規模都是史無前例的大,因此要使LHC能夠以預計的目標能量運作需要相當長的準備過程。首先需要將LHC的八個 SECTOR降溫至絕對溫度1.9K的工作溫度。接著要測試1600個超導磁鐵,確定這些超導磁鐵可以以相同的狀態運作。然後要逐漸啟動這八個 SECTOR,讓這八個SECTOR可以變成一個完整的機器。
LHC在七月底的時候已經降溫到了1.9K。接著要測試的是要將質子束從SPS注入到LHC。在這個過程中,SPS和LHC需要以精準度 約1ns的程度進行同步。LHC在八月八日的時候已經對SPS及LHC的同步性進行測試。他們將依些質子束順利的從SPS注入LHC,並讓質子順著LHC 運行了約三公里。他們在週末又進行了一些測試,希望能夠拿到將注入的參數最佳化。
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