大型强子对撞机首年运行平稳尚未发现上帝粒2020年

大型强子对撞机首年 运行平稳尚未发现上帝粒子

在LHC铅离子对撞实验中，出现了新的物质状态，即夸克-胶子等离子体

我本人期待LHC将给我们带来意想不到的收获，而不是像理论家们期待的那样看到超对称甚至超弦理论的迹象。我对LHC是否会发现额外维以及小黑洞持有极大的怀疑态度。我觉得额外维和小黑洞的宣传主要是欧洲核子中心的公关策略。据说，LHC的科学宣传策划已经被写进媒体教科书。

有些理论家，成天制造不同的理论，希望制定出一份周详的菜单，不论LHC发现什么，都在他的菜单上。这些菜单的制造，基本建立在一个或两个假想的问题上，而不是实验的启示。我觉得爱因斯坦的话值得铭记：“上帝是微妙的，但他不怀恶意。”什么意思呢？就是上帝大概不会被你无缘无故地猜中，但最终他还是愿意告诉你他自己的计划。

第一年

从2008年到今天，全球关心所谓宇宙秘密的人，总是被LHC的所吸引。2008年9月10日，LHC第一次启动，经过一段时间的运转，9月19日因为冷却系统的故障53个磁铁损坏了，LHC被迫关闭。修复是一个漫长的过程，因为还涉及到整个系统的检查、清理和调试。经过一年多的辛苦工作，终于在2009年11月21日重新启动。11月24日，LHC的四个探测器都检测到相反运动的两个粒子束的碰撞，这些粒子束含的是质子，每个质子的能量达到450京电子伏(1京=10亿)。这个能量当然还远远低于设计的七千京电子伏。到了11月30日，一个纪录产生了，被加速后的每个质子的能量达到1180京电子伏，超过了过去的纪录980京电子伏(美国国立费米实验室的纪录)。

我过去写过，按照最乐观的期望，LHC运行的第一年，也就是2010年，不要指望LHC能带给我们任何激动人心的消息。现在，2010年过去了，虽然LHC一直平稳而有效地工作着，的确没有给我们带来新物理发现。但有一些正常与有些出乎意料的发现还是值得书写的。

首先，LHC还没有达到预计的最大能量。现在每个质子的最高能量是3.5T电子伏，是设计能量的一半，这个能量是2010年3月份达到的，在接下来的时间中，加速器主要是增加质子束的亮度——即每束粒子含有的粒子个数，个数越多，碰撞的机会才越大，才越有可能看到新物理。ATLAS的科学家们很快就看到了标准模型中的中间玻色子，但并没有看到任何不同寻常的新物理现象。

重要

到了去年9月份，第一个重要发布了。在经过大约半年的粒子碰撞后，CMS探测器收集到足够的数据看到了一些非常有趣的现象。他们似乎看到了夸克-胶子等离子体。这是位于美国的布鲁克海文实验室叫做RHIC加速器在比较低的能量上已经看到的。由于LHC的能量更高，如果夸克-胶子等离子体在高能量段还具备完美的液体性质，在实验和理论上都是令人兴奋的进展。

那么，什么是夸克-胶子等离子体？科学家们为什么因为看到这种等离子体而兴奋？他们甚至说，他们实现了可与宇宙大爆炸相比的“小爆炸”，这种小爆炸又是什么意思？

我们知道，通常我们看到的物质的主要成分是原子核，原子核由质子和中子构成。再下一层结构是夸克，质子和中子都是由夸克构成的，每个质子或中子含有三个夸克。当然，三个夸克的说法是在寻常的能量上。如果我们试图看到更多的细节，我们会看到胶子，这些胶子是将夸克强力地约束在一起的粒子，起了类似“不干胶”的作用，当然其力度比起不干胶可要强多了。

色浆·小爆炸

其实，当我们用能量轰击质子或原子核时，由于能量多的原因，在通常的夸克和胶子外，我们还会看到夸克和反夸克成对地产生。如果原子核的能量足够大，在轰击的过程中，将会有很多夸克和胶子出现。

这个时候，仅仅看单个粒子就不合适了，我们需要用气体或液体的概念来描述这些存在极为短暂的新物态。由于新物态是夸克与胶子构成的，所以叫夸克-胶子等离子体。夸克和胶子之间的相互作用是由色荷决定的(就像电子与电子之间的相互作用由电荷决定的类似)，我过去曾开玩笑地建议将新物态命名为色浆——因为在台湾，普通等离子体叫做电浆。

夸克-胶子之间的相互作用非常强，即使在极高能，也不能忽略它们之间的力。但理论家们分为两派，一派认为色浆是气体，至少在较高的能量上，色浆的表现像气体。另一派则认为色浆是液体，而且还不是普通液体，是粘滞性很低的液体。气体和液体的粘滞性与粒子之间的力大小有关，力越大，粘滞越小，如果粘滞为零，我们叫这种液体为完美液体。

在宇宙大爆炸发生后不久，宇宙就是一种液体，由正负电子、夸克与胶子以及其他粒子组成。所以，研究夸克与胶子等离子体的性质就与大爆炸有关了。在加速器上，由于实现的空间与时间相对小和短，人们就将这种事件称为“小爆炸”。

研究色浆的第一个实验是RHIC。RHIC是Relativistic Heavy Ion Colider的缩写，在位于美国长岛的布鲁克海文实验室。我印象中这个实验早在上世纪90年代初就计划了，那时弦论陷入一个周期性的黑暗中，我为了未来开始研究一点夸克和胶子的色动力学。那时我在明尼苏达大学参加了一个会议，会上有名的理论物理学家Bjorken就大肆宣传RHIC的实验。RHIC总共花了多少钱？到2005年一共花了11亿美元。

去年9月份CMS在质子碰撞中看到色浆的迹象。LHC在去年11月份开始加速铅原子核，使得每个核子(即原子核中含有的质子和中子)能的平均能量达到1.38T电子伏，远远高于RHIC实验。这些实验在去年12月6日结束。在不到一个月的实验中，几个探测器都看到了色浆，而且与那些怀疑论者所持的想法相反，色浆在高温下依然是粘滞很小的完美液体，并且，喷注淬灭效应更加明显了。ALICE探测器与ATLAS探测器发表在《物理评论通讯》12月13日那一期上的两篇论文是LHC运行了一年的最好总结。

总之，大型强子对撞机(LHC)的第一年运行非常平稳，虽然因为时间和亮度的关系，还没有发现希格斯粒子与新物理(超对称也好，小黑洞也好，额外维也好)，但很好地验证了标准模型，以及实现了“小爆炸”，证实了色浆是一种完美液体，这对研究早期宇宙很有帮助。