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追尋宇宙「暗物質」大強子對撞機重新啟動

2015-04-06 09:25

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歐洲核子研究組織(CERN)5日宣布,在經歷兩年停機維護、加固(consolidate)升級及數月重啟準備後,人類史上能量最高的加速器「大強子對撞機」(Large Hadron Collider,LHC)已經重新啟動,展開第二階段運行,期望能夠協助人類解開宇宙「暗物質」(dark matter)、宇宙起源等謎團。

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CERN主任霍伊爾(Rolf-Dieter Heuer)說:「今天,CERN的心跳再度與LHC的節奏同步。」LHC位於瑞士日內瓦,造價約46億瑞士法郎(新台幣1380億元),也是有史以來最昂貴的科學設施,1998年開工,花了10年才建造完成。

大強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)
 

暗物質是無法直接觀測的不發光(電磁波)物質,由於宇宙可觀測物質的質量總和無法解釋重力的效應,科學家必須假設有暗物質存在。在整個宇宙之中,人們熟悉的物質占4.9%,暗物質占26.8%,還有68.3%是暗能量(質能等價)。然而多年以來,針對暗物質提出的理論雖然不計其數,欲沒有一個得到確認。

暗物質(維基百科)
暗物質的存在只能透過重力效應測知

LHC雖然已經啟動,但是質子束(proton beam)的第一次對撞要等到6月才會進行。如果有任何新發現,更要等到2016年年中。

CERN表示,LHC於當地時間5日上午10時41分發射出第一束質子束,另一束相反方向的質子束於5日中午12時27分發射,兩束質子束循環的注入能量為0.45兆電子伏特(450 GeV)。未來數天研究人員將會在檢查各系統狀況之後,逐步提升質子束能量。

按計劃,LHC第二階段運行可實現每個質子束產生6.5兆電子伏特(6.5 Tev)的能量,進而在今夏實現以創紀錄的13兆電子伏特的質子束流總能量進行對撞實驗。

大強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)
歐洲核子研究組織(CERN)

LHC是目前全球規模最大、能量最高的粒子加速器,它通過埋入地下50至150公尺深、總長27公里的隧道,以超導磁鐵將質子束至接近光速,並在隧道中進行對撞,如此可在微觀尺度上還原宇宙大霹靂(Big Bang)後的宇宙初期形態,幫助科學家研究宇宙起源並尋找新粒子。

加速器通道中主要是放置兩個質子束管。由於須維持前所未有高能量的粒子運行,加速管由超導磁鐵包覆,並以液態氦冷卻。管中的質子是以相反方向,環繞整個環型加速器運行。在四個實驗碰撞點附近,另安裝二極偏向磁鐵及四極聚焦磁鐵。

大強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)
大強子對撞機內部

在LHC停機期間,CERN斥資1億5000萬美元(新台幣46億元),強化了對撞機的1萬個超導磁鐵連接點,安裝了超導磁鐵保護系統,同時改進增強了製冷、真空及電子系統。隨著今夏將以13兆電子伏特的質子束流總能量運行,LHC實驗將探索希格斯玻色子(Higgs boson)機制、暗物質、反物質等更多未知領域。

LHC於2008年9月建成運行,首階段運行於2012年末結束。該階段的兩個強子對撞實驗項目「超環面儀器」(ATLAS)和緊湊緲子線圈(CMS)均證實了「物質質量的來源」希格斯玻色子的存在。預測希格斯玻色子存在的英國學者希格斯(Peter Higgs)與比利時學者恩勒特(Francois Englert),也榮膺2013年諾貝爾物理學獎。

大強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)
 

為什麼科學家需要能量越來越高的加速器?ATLAS實驗計劃研究員任忠良對表示:「粒子物理學研究微觀物質結構,根據量子力學,能量越高,粒子的波長越短,可以看到的粒子就會越小。」

強子(hadron)是一種由夸克(quark )或反夸克(antiquark)通過強作用力(strong force)結合在一起的複合粒子(composite particle),又分為重子(baryon)與介子(meson)兩大類。組成原子核的質子和中子即是強子中的重子。

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