物理

見證歷史的一刻──LHC啟動

辛苦建造了20年,LHC終於開始運作了,那一刻,全世界科學家的感動不分國籍。

撰文/張元翰

物理

見證歷史的一刻──LHC啟動

辛苦建造了20年,LHC終於開始運作了,那一刻,全世界科學家的感動不分國籍。

撰文/張元翰

今年9月,全世界媒體的科學報導都聚焦在瑞士日內瓦的歐洲核子研究組織(CERN),因為一個全新的高能加速器於9月10日正式啟用了。CERN花了近20年的時間、匯聚全球頂尖物理學家之力建造完成的大型強子對撞機(LHC),是史上最大規模的科學實驗。不同於早期放得進一間普通房間的加速器,LHC大到需要一個周長達27公里、橫跨法國與瑞士兩國的地底隧道,裡面放滿了超導磁鐵。比起前一代的加速器,LHC將把質子加速到7兆電子伏特,能量提高了近10倍,大幅拓展了我們對基本粒子的研究能力。

LHC的啟用,象徵著基礎物理研究前進了一大步,我恰好在CERN參與有關的研究,有幸親身經歷這一刻。

科學無國界

建造這麼大的加速器,除了得依靠CERN研究加速器50年來所累積的經驗和技術,資金更是另一個重要問題。LHC的造價超過20億美元,還不包含約15億美元的探測器,沒有一個國家的科學預算能支援這樣龐大的工程。幸好CERN是由歐洲各國共同出資成立的國際性組織,得以順利將來自80多個國家的科學家、工程師、學生組成國際團隊,並取得各國政府的支援,共同建造、共用成果。


這裡就像一個沒有國界的大同世界,科學家爭的是技術細節與設計方案,而不是國家、民族或政治的界線。美國和蘇聯的團隊早在蘇聯解體前就在CERN合作無間,來自台灣的科學家和大陸的科學家在CERN比鄰而居,共同研究也已經超過20年了。


9月10日上午九時,LHC的控制室裡擠滿了人,負責操作的物理學家和加速器專家在各自的電腦螢幕前,專注地調整各項參數,後方則規劃為媒體區,讓各國媒體實地觀看啟動過程。其他大部份的物理學家,包括我在內,就擠在CERN的大講堂,觀看由控制室傳來的實況轉播。開始運轉前,計畫總負責人艾萬斯(Lyn Evans)與CERN的主任艾莫(Robert Aymer)簡單致詞,接著就由艾萬斯指揮,啟動LHC的首次運轉。


第一道質子束流起跑

第一個步驟的目標是讓質子繞行27公里的環狀束流管一圈。若想順利達成,LHC內部數千個大型超導磁鐵都必須運作正常,數百萬個各種零件也都不能出現任何差池。艾萬斯在致詞時,特別提到上一個大型加速器「大型電子正子對撞機」(LEP),光在這一步驟就花了整整12個小時。


這個步驟將LHC劃分為八段,首先讓質子通過第一段約3公里的路程。當螢幕上突然閃動了一個光點,代表質子已經到達第一段的尾端,所有人都不自禁地鼓掌叫好。接著,第二段和第三段也順利通過,粒子束 韉竭_第四段,只花了半個小時。第四段的尾端是LHC上所裝設的兩個大型探測器之一:緊湊渺子螺管偵測器(CMS)。不久,CMS控制室傳來好消息,他們已經看到束流粒子的訊號,並用以調整探測器的參數。


LHC控制室隨即將束流繼續送往第五段和第六段,沒有碰到任何問題。在第六段和第七段中,一度看到較大的震盪,但是經過控制室的調整後,很快就恢復正常,進展之快使得我們旁觀者一度搞不清楚狀況,原來預期要花上一段時間的工作,在我們還來不及察覺時,就已經完成。忽然間,艾萬斯宣佈即將完成質子環繞一周的運行,大家屏息以待,數千人的目光都集中在顯示螢幕上,粒子訊號閃亮的瞬間,全場歡聲雷動,大家都用力鼓掌叫好,互道恭喜。對粒子物理而言,一個新的時代開始了。


其他更多關於LHC的知識與報導,請見2008年3月號《科學人》的封面故事〈物理學的明日世界〉系列報導

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2008年第80期10月號】