模拟宇宙大爆炸：那百万分之一秒中发生了什么

模拟宇宙大爆炸：那百万分之一秒中发生了什么

2010年11月12日  　来源： 科技日报

CFP供图 　　——新闻缘起—— 　　北京时间11月9日，科学家借助欧洲大型强子对撞机（LHC）成功完成了创造迷你版“宇宙大爆炸”的实验，产生了一个温度为太阳核心温度100万倍的火球。参与这个项目的科学家热烈庆祝了这个具有里程碑意义的实验。 　　大型强子对撞机创造了一个迷你版本的“宇宙大爆炸”，而宇宙正是诞生于大约140亿年前的大爆炸。“迷你大爆炸”是通过铅离子高速撞击实现的，据称，这将开启粒子物理学研究的新世纪。 　　——专家解读—— 　　夸克·胶子等离子体是否真的存在，LHC将给出答案 　　约翰·埃利斯（英国理论物理学家，自1978年起为欧洲核子研究中心工作）： 　　严格意义上说，大型强子对撞机（LHC）不可能完全重现大爆炸，但它确实成功重现了大爆炸发生后极短时间内宇宙小范围的情形。 　　LHC设备的运行进入了一个新阶段。即对潜在的新物质状态进行探索。迄今为止，LHC设备就像是一台超级显微镜，通过实现粒子间的高能对撞，从而探索物质的最基本结构。在接下来的几周内，LHC设备将继续进行铅原子核的高能对撞实验，每次对撞都将包含大量粒子，实验的目的是了解在大量粒子同时发生高能对撞的情况下将会出现什么新现象。 　　理论物理学家们对此进行了预言：他们认为在LHC铅原子核对撞实验中产生的超高密度和压力条件下，将出现一种新的物质态——夸克·胶子等离子体。在这种物质态中，物质的最基本粒子：夸克和胶子，将脱离核子（质子、中子等），这很类似在等离子电视机中电子从原子中脱离开一样。我们观看等离子电视，其实就是看到了这些逃逸的电子构成的电磁等离子体发出的光。类似的，“大型离子撞击试验探测器”（ALICE）和LHC设备将用于“观看”铅核高能对撞时发出的粒子，从而寻找证据，来验证或推翻现存关于夸克·胶子等离子体的理论。 　　这些实验将提供探索基本物理理论的途径，包括一些由弦理论提出的观点。还可能对于宇宙的早期演化研究提供新的线索。宇宙学家们认为，如果夸克·胶子等离子体真的存在，那么极早期宇宙——大爆炸后不超过1微秒（百万分之一秒）中应当充斥着这种物质状态。因此从这一角度看，此次的实验将对这一阶段的宇宙演化提供新的研究线索，从而影响对宇宙后续演化理论的研究。 　　等离子物理学家们的观点是否正确呢？弦理论是否正确呢？宇宙学家们是否正确呢？LHC实验将提供一些答案。 　　——加速器在中国—— 　　随着科学技术的发展，人类对物质结构的认识是从一开始看到身边的各种物质逐渐发展到借助放大镜、显微镜、直到后来的粒子加速器、电子对撞机等，逐步深入到细胞、分子、原子和原子核深层次，每深入一步都会带来巨大的社会效益和经济效益。原子核及其核外电子的发现，带动了无线电、半导体、电视、雷达、激光、X光的发展，而近几十年对原子核的研究，则为原子能的利用粒子加速器奠定了理论基础。 　　要想了解物质的微观结构，首先要把它打碎。粒子加速器就是用高速粒子去“打碎”被测物质，让正负电子在运动中相撞，可以使物质的微观结构产生最大程度的变化，进而使我们了解物质的基本性质。 　　上世纪80年代以来，我国陆续建设了四大高能物理研究装置——北京正负电子对撞机、兰州重离子加速器和合肥同步辐射装置。2000年以后，国家和地方政府合作，花费14亿元之巨兴建了大科学装置上海同步辐射光源。 　　北京正负电子对撞机：国际上最先进的双环对撞机之一 　　北京正负电子对撞机是一台可以使正、负两个电子束在同一个环里沿着相反的方向加速，并在指定的地点发生对头碰撞的高能物理实验装置。由于磁场的作用，正负电子进入环后，在电子计算机控制下，沿指定轨道运动，在环内指定区域产生对撞，从而发生高能反应。然后用一台大型粒子探测器，分辨对撞后产生的带电粒子及其衍变产物，把取出的电子信号输入计算机进行处理。 　　它始建于1984年10月7日，1988年10月建成，包括正负电子对撞机、北京谱仪（大型粒子探测器）和北京同步辐射装置。2010年7月22日，北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCII）取得重要进展——加速器与北京谱仪联合调试对撞成功，并观察到了正负电子对撞产生的物理事例。这标志着BEPCII已圆满完成了建设任务。改造后的BEPCII将在世界同类型装置中继续保持领先地位，成为国际上最先进的双环对撞机之一。 　　上海同步辐射光源：我国迄今为止最大的大科学装置 　　上海光源是一台高性能的中能第三代同步辐射光源，它的英文全名为Shanghai Synchrotron Radiation Facility，简称SSRF。2010年1月19日在上海通过国家验收。此举标志着中国这一性能指标达到世界一流的中能第三代同步辐射光源，正式对科研用户开放。 　　它是我国迄今为止最大的大科学装置和大科学平台，在科学界和工业界有着广泛的应用价值，每天能容纳数百名来自全国或全世界不同学科、不同领域的科学家和工程师在这里进行基础研究和技术开发。 　　上海光源拥有的高强度、高亮度、高稳定性等特性，可用以从事生命科学、材料科学、环境科学、医学、药学等多学科的前沿基础研究，以及微电子、石油、医疗诊断等高技术的开发应用的实验研究。以生命科学为例，生命科学已进入了后基因组时代，蛋白质科学已成为各发达国家竞相抢占的制高点。而以蛋白质结构和功能研究为主要目标的结构基因组学研究80%以上的工作需要在第三代同步辐射光源上进行。 　　兰州重离子加速器：我国第一台重离子加速器 　　兰州重离子加速器是我国自行研制的第一台重离子加速器，同时也是我国到目前为止能量最高、可加速的粒子种类最多、规模最大的重离子加速器，是世界上继法国、日本之后的第三台同类大型回旋加速器，1989年投入正式运行，主要指标达到国际先进水平。中科院近代物理研究所的科研人员以创新的物理思想，利用这台加速器成功地合成和研究了10余种新核素。 　　2009年5月，新近建成的大科学装置——兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL－CSR）提供的高能碳离子束，成功投入了深层肿瘤重离子治疗临床试验。目前已有6例患者接受了深层肿瘤临床治疗试验，年内将完成20例深层肿瘤病人的临床治疗试验。 　　合肥同步辐射国家实验室：光源亮度比太阳还高 　　合肥同步辐射国家实验室是我国唯一一个建在高校中的大科学装置，这一同步辐射光源，亮度比太阳还高，这也是国家批准建设的第一个国家实验室。 　　这一大科学工程始建于1984年11月，总投资为6240万元人民币，由5条光束线和实验站组成。其主体设备是一台能量为800MeV的电子储存环，可开展大量科学研究。1991年12月，一期工程通过国家验收。1997年，国家再次投入1.18亿元，在原有装置基础上进行了改造，增建的一台波荡器和8条新光束线和实验站，提高了光源的积分流强、束流寿命和稳定性，保证了加速器的长期、可靠、稳定运行，能为用户提供更强的光、更多的用光机时，拓宽了同步辐射应用的领域，给用户提供了更为先进的实验方法和技术，已拥有X射线衍射与散射、软X射线显微术、原子与分子物理、表面物理、软X射线磁性圆二色、光电子能谱、真空紫外光谱、光声与真空紫外圆二色光谱、光谱辐射标准与计量等14个实验站，成为我国重要的交叉科学研究平台。2004年全面向用户开放。 　　利用这一装置，科学家获得了令人激动的科研成果。如实验室研究员与美国、德国科学家合作，首次在实验中发现了一系列碳氢化合物氧化过程的重要中间体：烯醇。研究成果以封面论文的形式发表在2005年6月24日出版的《科学》杂志上。 　　■ 点击LHC 　　欧洲大型强子对撞机是目前世界上最大能量最高的粒子加速器，英文缩写为LHC（LargeHadronCollider），由三个关键词组成：大型、强子和对撞机。“大型”是指尺寸，它的周长达27公里；“强子”是因为它加速质子或重离子，这些都是参与强相互作用的粒子；“对撞机”是由于它要把两束强子加速到很高的能量并且在其中对撞。 　　大型强子对撞机2008年9月启动，但并不是对撞的开始，只是调试，先将第一束质子流注入对撞机，使其以接近光速的速度走通在27公里隧道里的环形真空室；然后，将第二束质子流注入大型强子对撞机反方向运行，在经过反复调试，稳定加速到高能量之后，才可进行两束质子流的对撞。

http://news.xinhuanet.com/tech/2010-11/12/c_12765399.htm模拟宇宙大爆炸：那百万分之一秒中发生了什么
2010年11月12日  　来源： 科技日报

CFP供图

　　——新闻缘起——
　　北京时间11月9日，科学家借助欧洲大型强子对撞机（LHC）成功完成了创造迷你版“宇宙大爆炸”的实验，产生了一个温度为太阳核心温度100万倍的火球。参与这个项目的科学家热烈庆祝了这个具有里程碑意义的实验。
　　大型强子对撞机创造了一个迷你版本的“宇宙大爆炸”，而宇宙正是诞生于大约140亿年前的大爆炸。“迷你大爆炸”是通过铅离子高速撞击实现的，据称，这将开启粒子物理学研究的新世纪。
　　——专家解读——
　　夸克·胶子等离子体是否真的存在，LHC将给出答案
　　约翰·埃利斯（英国理论物理学家，自1978年起为欧洲核子研究中心工作）：
　　严格意义上说，大型强子对撞机（LHC）不可能完全重现大爆炸，但它确实成功重现了大爆炸发生后极短时间内宇宙小范围的情形。
　　LHC设备的运行进入了一个新阶段。即对潜在的新物质状态进行探索。迄今为止，LHC设备就像是一台超级显微镜，通过实现粒子间的高能对撞，从而探索物质的最基本结构。在接下来的几周内，LHC设备将继续进行铅原子核的高能对撞实验，每次对撞都将包含大量粒子，实验的目的是了解在大量粒子同时发生高能对撞的情况下将会出现什么新现象。
　　理论物理学家们对此进行了预言：他们认为在LHC铅原子核对撞实验中产生的超高密度和压力条件下，将出现一种新的物质态——夸克·胶子等离子体。在这种物质态中，物质的最基本粒子：夸克和胶子，将脱离核子（质子、中子等），这很类似在等离子电视机中电子从原子中脱离开一样。我们观看等离子电视，其实就是看到了这些逃逸的电子构成的电磁等离子体发出的光。类似的，“大型离子撞击试验探测器”（ALICE）和LHC设备将用于“观看”铅核高能对撞时发出的粒子，从而寻找证据，来验证或推翻现存关于夸克·胶子等离子体的理论。
　　这些实验将提供探索基本物理理论的途径，包括一些由弦理论提出的观点。还可能对于宇宙的早期演化研究提供新的线索。宇宙学家们认为，如果夸克·胶子等离子体真的存在，那么极早期宇宙——大爆炸后不超过1微秒（百万分之一秒）中应当充斥着这种物质状态。因此从这一角度看，此次的实验将对这一阶段的宇宙演化提供新的研究线索，从而影响对宇宙后续演化理论的研究。
　　等离子物理学家们的观点是否正确呢？弦理论是否正确呢？宇宙学家们是否正确呢？LHC实验将提供一些答案。
　　——加速器在中国——
　　随着科学技术的发展，人类对物质结构的认识是从一开始看到身边的各种物质逐渐发展到借助放大镜、显微镜、直到后来的粒子加速器、电子对撞机等，逐步深入到细胞、分子、原子和原子核深层次，每深入一步都会带来巨大的社会效益和经济效益。原子核及其核外电子的发现，带动了无线电、半导体、电视、雷达、激光、X光的发展，而近几十年对原子核的研究，则为原子能的利用粒子加速器奠定了理论基础。
　　要想了解物质的微观结构，首先要把它打碎。粒子加速器就是用高速粒子去“打碎”被测物质，让正负电子在运动中相撞，可以使物质的微观结构产生最大程度的变化，进而使我们了解物质的基本性质。
　　上世纪80年代以来，我国陆续建设了四大高能物理研究装置——北京正负电子对撞机、兰州重离子加速器和合肥同步辐射装置。2000年以后，国家和地方政府合作，花费14亿元之巨兴建了大科学装置上海同步辐射光源。
　　北京正负电子对撞机：国际上最先进的双环对撞机之一
　　北京正负电子对撞机是一台可以使正、负两个电子束在同一个环里沿着相反的方向加速，并在指定的地点发生对头碰撞的高能物理实验装置。由于磁场的作用，正负电子进入环后，在电子计算机控制下，沿指定轨道运动，在环内指定区域产生对撞，从而发生高能反应。然后用一台大型粒子探测器，分辨对撞后产生的带电粒子及其衍变产物，把取出的电子信号输入计算机进行处理。
　　它始建于1984年10月7日，1988年10月建成，包括正负电子对撞机、北京谱仪（大型粒子探测器）和北京同步辐射装置。2010年7月22日，北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCII）取得重要进展——加速器与北京谱仪联合调试对撞成功，并观察到了正负电子对撞产生的物理事例。这标志着BEPCII已圆满完成了建设任务。改造后的BEPCII将在世界同类型装置中继续保持领先地位，成为国际上最先进的双环对撞机之一。
　　上海同步辐射光源：我国迄今为止最大的大科学装置
　　上海光源是一台高性能的中能第三代同步辐射光源，它的英文全名为Shanghai Synchrotron Radiation Facility，简称SSRF。2010年1月19日在上海通过国家验收。此举标志着中国这一性能指标达到世界一流的中能第三代同步辐射光源，正式对科研用户开放。
　　它是我国迄今为止最大的大科学装置和大科学平台，在科学界和工业界有着广泛的应用价值，每天能容纳数百名来自全国或全世界不同学科、不同领域的科学家和工程师在这里进行基础研究和技术开发。
　　上海光源拥有的高强度、高亮度、高稳定性等特性，可用以从事生命科学、材料科学、环境科学、医学、药学等多学科的前沿基础研究，以及微电子、石油、医疗诊断等高技术的开发应用的实验研究。以生命科学为例，生命科学已进入了后基因组时代，蛋白质科学已成为各发达国家竞相抢占的制高点。而以蛋白质结构和功能研究为主要目标的结构基因组学研究80%以上的工作需要在第三代同步辐射光源上进行。
　　兰州重离子加速器：我国第一台重离子加速器
　　兰州重离子加速器是我国自行研制的第一台重离子加速器，同时也是我国到目前为止能量最高、可加速的粒子种类最多、规模最大的重离子加速器，是世界上继法国、日本之后的第三台同类大型回旋加速器，1989年投入正式运行，主要指标达到国际先进水平。中科院近代物理研究所的科研人员以创新的物理思想，利用这台加速器成功地合成和研究了10余种新核素。
　　2009年5月，新近建成的大科学装置——兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL－CSR）提供的高能碳离子束，成功投入了深层肿瘤重离子治疗临床试验。目前已有6例患者接受了深层肿瘤临床治疗试验，年内将完成20例深层肿瘤病人的临床治疗试验。
　　合肥同步辐射国家实验室：光源亮度比太阳还高
　　合肥同步辐射国家实验室是我国唯一一个建在高校中的大科学装置，这一同步辐射光源，亮度比太阳还高，这也是国家批准建设的第一个国家实验室。
　　这一大科学工程始建于1984年11月，总投资为6240万元人民币，由5条光束线和实验站组成。其主体设备是一台能量为800MeV的电子储存环，可开展大量科学研究。1991年12月，一期工程通过国家验收。1997年，国家再次投入1.18亿元，在原有装置基础上进行了改造，增建的一台波荡器和8条新光束线和实验站，提高了光源的积分流强、束流寿命和稳定性，保证了加速器的长期、可靠、稳定运行，能为用户提供更强的光、更多的用光机时，拓宽了同步辐射应用的领域，给用户提供了更为先进的实验方法和技术，已拥有X射线衍射与散射、软X射线显微术、原子与分子物理、表面物理、软X射线磁性圆二色、光电子能谱、真空紫外光谱、光声与真空紫外圆二色光谱、光谱辐射标准与计量等14个实验站，成为我国重要的交叉科学研究平台。2004年全面向用户开放。
　　利用这一装置，科学家获得了令人激动的科研成果。如实验室研究员与美国、德国科学家合作，首次在实验中发现了一系列碳氢化合物氧化过程的重要中间体：烯醇。研究成果以封面论文的形式发表在2005年6月24日出版的《科学》杂志上。
　　■ 点击LHC
　　欧洲大型强子对撞机是目前世界上最大能量最高的粒子加速器，英文缩写为LHC（LargeHadronCollider），由三个关键词组成：大型、强子和对撞机。“大型”是指尺寸，它的周长达27公里；“强子”是因为它加速质子或重离子，这些都是参与强相互作用的粒子；“对撞机”是由于它要把两束强子加速到很高的能量并且在其中对撞。
　　大型强子对撞机2008年9月启动，但并不是对撞的开始，只是调试，先将第一束质子流注入对撞机，使其以接近光速的速度走通在27公里隧道里的环形真空室；然后，将第二束质子流注入大型强子对撞机反方向运行，在经过反复调试，稳定加速到高能量之后，才可进行两束质子流的对撞。





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