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引領人類通往嶄新疆域的大型強子對撞機

大型強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)是目前人類嘗試過最大的科學實驗,物理學家將質子加速到接近光速後進行對撞,並從對撞後的結果尋找新的粒子或新的物理現象。大型強子對撞機像是一把重要的鑰匙,它開啟了兩個極端世界的大門,將量子世界中最微小的粒子與廣大的宇宙大爆炸連接在一起,引領人類通往嶄新的疆域。
 
 
2008/9/10大型強子對撞機正式啟用。
 
2008年9月10日,在法國、瑞士邊界50到175公尺深的地底下,第一道質子束以99.999999%的光速奔馳在27公里長的環狀隧道中,這是世人引頸期盼的時刻。這座大型強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)是直至目前人類嘗試過最大的科學實驗,它可將質子加速到7兆電子伏特(7 TeV),比起前一代的加速器能量高出將近10倍。如此高的能量即將衝破宇宙的未知之門,引領人類通往嶄新的疆域。
 
近100多年來,人類不斷的推開一扇扇通往未知理論的門,看見了更廣闊、亙古的宇宙,也驚嘆著微小的基本粒子世界的奧妙。自從1897年湯姆森(Joseph Thomson)發現了電子,粒子物理的新時代便已開啟。隨後科學家更進一步證實了質子與中子的存在。此外,除了已知的重力與電磁力外,科學家還發現在原子核的尺度下,維繫原子核的強作用力,以及使中子發生β衰變的弱作用力。這四種作用力便構成了自然界中的四大基本作用力。並在1960、1970年代逐步建立起標準模型,統合了電弱統一理論與量子色動力學,也成功解釋了電磁力、弱作用力及強作用力這三種基本力所產生的物理現象。
 
在1970、1980年代,標準模型所預測的基本粒子,如夸克、W和Z玻色子等,接連在高能物理實驗中被發現,使物理學家更有信心現有理論的正確。為了進一步探索新的能量前沿,歐洲核子研究組織(European Organization for Nuclear Research,CERN)理事會於1994年正式批准了大型強子對撞機計畫。
 
來自世界各國數以千計的科學家、工程師在這幾十年間共同為大型強子對撞機這棵希望的樹苗澆灌、施肥。臺灣沒有在這重要的時刻缺席,從90年代末也參與了ATLAS和CMS實驗,由中央研究院、臺灣大學、中央大學的團隊投入研發工作,為大型強子對撞機提供光纖數據傳輸系統、網格計算、探測器的矽晶片等。大型強子對撞機在經歷了一連串的風風雨雨,終於在2008年9月10日正式啟動。
 
但啟動第10天,大型強子對撞機內的液態氦卻發生嚴重的洩漏,毀損了53個超導磁鐵,大型強子對撞機只能暫時停機。經過1年的修復後,大強子對撞機於2009年重新再啟動。對撞機內由絕緣層層層包裹的超導磁鐵的溫度只有絕對溫度2K。處於臨界溫度之下的超導磁鐵,可將質子加速到接近光速後進行對撞。相互對撞的粒子在這剎那間會消失,但也產生出一大堆的粒子。物理學家則從對撞後的結果中尋找新的粒子或新的物理現象。
 
在2012年,大型強子對撞機中的ATLAS與CMS實驗團隊分別偵測到雙光子的質量分布在質量為125 GeV的地方出現峰值。這個小小凸起的峰值撼動了整個科學界,因為那就是物理學家依據標準模型尋尋覓覓一直未能發現的最後一個粒子,也就是希格斯玻色子。這個希格斯粒子解釋了所有的基本物質是如何獲得質量的。
 
大型強子對撞機像是一把重要的鑰匙,它開啟了兩個極端世界的大門,將量子世界中最微小的粒子與廣大的宇宙大爆炸連接在一起。未來更大、更強的對撞機除了能夠讓我們研究更高能量態的物理現象,使標準模型更完備外,更可以幫助我們重建宇宙大爆炸時的世界,或許也可以揭開暗物質的面紗,回答時空是否具有未知的維度等問題。這些宇宙的深奧秘密還等待著我們去發掘。

參考資料
1. LHC switches on
2. Large Hadron Collider
3. 參與「大強子對撞機」國際合作計畫 / 李世昌
4. 找到了希格斯粒子之後 / 高涌泉
5. CERN's supercollider / Brian Cox
 
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