【物理史中的九月】2008年9月10日:大型強子對撞機(LHC)正式啟動

2008 年 9 月 10 日:大型強子對撞機(LHC)正式啟動

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)

2008 年 9 月 11 日,國際主要媒體都爭相報導一則物理新聞 ─ 座落於瑞士日內瓦近郊的歐洲核物理研究中心(European Organization for Nuclear Research,CERN)於前一天成功地啟動了大型強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)。《紐約時報》的報導如此開頭:「科學順著次原子射束和香檳之河,於星期三(9月10日)駛向未來。」

LHC隧道中的一段(From Wikimedia Commons)

LHC 是史上最大、最複雜、也最昂貴的科學實驗設施,造價美金 80 億。加速器位在法國與瑞士邊界周長27公里的圓形地下隧道中,隧道最深離地面達 175 公尺。

利用超導磁鐵,LHC 可以將質子束加速到幾近光速,最高可具有7兆電子伏特的能量,是一個空前的記錄。當二個帶有這麼高能量的質子迎面對撞時,物理學家預期可以偵測到許多新的粒子和現象,並可以進一步瞭解自然界的各種作用力,以及宇宙的形成和演化。

人類亙古以來即希望能了解萬物組成的基本成分,以及它們如何相互作用。古希臘哲學家恩培多克里斯(Empedocles,490-430 BC)主張萬物皆由火、氣、水、土四個元素所組成,並說宇宙內存在有「愛」與「恨」兩種力,「愛」使元素結合在一起,「恨」則讓它們分開。柏拉圖後來加進了新的元素叫「以太」。中國古代有陰陽五行說,認為大自然現象是「金、木、水、火、土」五種氣的變化總結。

直到 1920 年代,當時已知的基本粒子只有電子、質子和光子,已知的兩種基本作用力是重力和電磁作用。第二次世界大戰前對原子核的研究以及中子的發現,顯示自然界還存在有兩種力,即讓中子與質子聚在原子核內部的強作用,與促使中子和原子核發生β衰變的弱作用。

二次大戰之後迎來基本粒子物理的黃金年代。在理論方面,先是 1960 年代出現了可以將電磁與弱交互作用加以統一描述的電弱理論,緊接的是 1970 年代基於夸克帶有「色荷」的量子色動力學的出現,用以描述強作用現象。電弱作用和量子色動力學都是規範場論,合稱標準模型,驗證標準模型遂成為實驗高能物理的顯學。

在實驗方面,1980 年以前美國各個國家實驗室中的大型加速器接二連三地發現了許多包括夸克在內的新粒子,一直獨領風騷。但是 CERN 先在 1973 年發現中性流的存在,繼而在1983年發現W和Z玻色子,確立了電弱作用論之後,大西洋兩岸在高能物理實驗方面的競爭逐漸形成平分秋色的局面。

LHC 的想法在大型電子-正電子對撞機(LEP)的構想提出之後就已出現。LEP 的隧道便為現在的 LHC 所用。LHC 早期的討論多集中在如何與擬議中的 40 兆電子伏特(40 TeV)之超導超級對撞機(SSC)競爭及比較,例如製造更便宜 1 TeV 能量但具更高亮度的對撞機,說不定也很具競爭力。

1988年,CERN 在其由總主任盧比亞(C. Rubbia,1984年諾貝爾物理獎)召集之長期計畫小組的建議下,開始對 LHC 所需高性能的磁鐵進行研發工作。盧比亞當時並主張LHC應設計成也可以加速重離子,以及 LEP 的電子束,後者可惜並未成真。在盧比亞的大力推動下,CERN理事會終於在1991年12月作成決議,認為 LHC 是符合 CERN 未來進步的正確機器,並要求盧比亞於1993年底提交一份完整的計畫書。

當時發生了兩件大事,一是東德崩潰,東西德決定合併;另一則是美國國會於 1993 年決議終止超導超級對撞機(the Superconducting Supercollider,SSC)。

SSC 計畫的終止讓 LHC 減少了一個潛在的強力對手,但費米國家實驗室的正負質子對撞機(Tevatron)仍不可小覷。

由於東西德統一的經費龐大,因此德國要求減輕其對 CERN 經費的負擔。LHC 的建造成本昂貴,加上部份會員國對高能物理轉趨消極,所以在盧比亞繼任者的折衝之下,CERN 理事會終於在1994年12月正式批准 LHC 的二階段興建計畫。

1995 年 6 月日本同意負擔可觀的經費,為非會員國最先表態支持的國家,之後俄國、印度、加拿大與美國相繼跟進,後來德國同意 CERN 可以短期採用赤字財政,美國與 CERN 的協議又及時於1997 年 12 月簽署,終使 CERN 理事會於1997年12月20日正式批准 LHC 單一階段興建計畫,完成目標為 2005 年。

LHC 的興建過程由於超導磁鐵新的設計及測試費時,造成進度延宕,但它能於 2008 年 9 月正式啟動即已讓全球高能物理界雀躍不已。只是好景迅速消失,啟動後 10 天,一個電路短路導致爆炸,毀損了 53 個超導磁鐵。幸好經過 1 年的整修,LHC 終於在 2009 年 11 月 20 日重新啟動。

2012 年 7 月 4 日,CERN 宣佈 LHC 的兩個主要偵測器同時發現了標準模型最後的一個拼圖 ─ 「上帝粒子」希格斯玻色子,確切存在,全球為之歡騰!

LHC 的興建激發了普羅大眾與藝文界的豐富想像,出現了許多相關的小說、電視影集、影片、饒舌歌曲和電玩。另外,有少數的科學家憂心 LHC 可能帶來世界的毀滅,他們認為 LHC 的實驗中可能會產生微黑洞或奇異粒子,所以向大西洋兩岸的法院舉發控訴,要求停止 LHC 的運轉。不過,法官並未接受,因為 CERN 的科學家解釋,相同的高能碰撞事件早就隨時都在宇宙線中發生。

現今有近萬名的物理學家仍日以繼夜地在 CERN 做實驗,希望發現更多嶄新的物理現象。

 

加入好友

1,568 人瀏覽過