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| 我国高能物理学家谈LHC：我们是国际高能物理的有机部分 |
| 在整个工程建设和运行中，中国科学家参与建造、分享数据、共同研究，已经并将继续作出贡献 |
9月10日，在欧洲粒子物理研究中心的大型强子对撞机总控室，物理学家们看到LHC中的第一束粒子。(图片来源：欧洲粒子物理研究中心)
在中科院高能物理所制作的大型强子对撞机探测器ATLAS MDT 。(图片提供：金山)
从9月10日的开机运行，第一束质子流成功绕隧道环行一周，到9月20日，因氦泄漏事件暂时停机2个月，欧洲大型强子对撞机（LHC）一直吸引着世界的目光，牵动着物理学家们的心。
“我们相信LHC上会有重大的科学发现，它是物理学上的一个里程碑。”粒子物理学家、中国科学院高能物理研究所所长陈和生院士说：“我期望LHC能够早日产生数据，我们能够分析这些数据、研究它们的物理。”
粒子物理学家、高能物理所实验物理中心副主任金山研究员说：“人类希望了解自然界的本质，探究质量的来源，LHC实验打开了一个从未有过的宝库，非常令人激动。”
这个建于欧洲粒子物理研究中心（CERN）的LHC是人类建造的最大、最复杂的科学设备，质子在其中被加速碰撞的能量是目前世界高能能量纪录的7倍。在历时20多年时间里，它耗资55亿美元，参与工程建设的科学家和资金来自几十个国家，包括欧洲20个CERN成员国，美国、日本、俄罗斯等6个观察国，以及加拿大和中国等其他参与国。
科学家们为什么要建造如此庞大的设备？中国政府及中国科学家在其中发挥了什么样的作用呢？
陈和生和金山分别是LHC上两个探测器CMS和ATLAS实验项目中国组的负责人。日前，在中科院高能物理所办公室，他们接受了《科学时报》记者的专访。
有贡献 才能分享
LHC是一种将质子加速对撞的高能物理设备，坐落于瑞士日内瓦的欧洲粒子物理研究中心。它位于地下100米处，其环形隧道长达27公里，东起瑞士的日内瓦湖，西至法国的侏罗山；它的轨道上有4个大型的探测器，每个探测器的重量几乎都有上万吨；来自80多个国家的数千名科学家和工程师等经过10多年努力才建成。
陈和生说，在LHC中，质子被加速到7万亿电子伏特的高能状态，这相当于质子静止时质量的7000倍，是目前最高能量纪录保持的7倍；在隧道中相向而行的高速质子在隧道的4个碰撞点上激烈对撞，产生出更多更小的粒子，这时，位于对撞点上的探测器将记录每次对撞所产生的各种粒子，并将数据转送到LHC的中央计算系统；一种被称为“网格网络”的数据传输系统通过专用光纤，将数据传送到世界各地研究机构的计算机集群平台，全球的物理学家们都可以利用这些数据进行物理分析和研究。
为什么要花如此大工夫去建造这样一个设备呢？陈和生说：“这个设备让质子产生如此高的能量并让它们对撞，这是一个全新的高能区域，人类因此可以探测以前从未涉足的高能量区域，在这里去寻找新的粒子、研究新的物理现象。这是最主要的目标。”
金山说，LHC实验有几个特点，从科学意义上，绝对是世界最前沿的，用物理的手段去解释各种现象，从物质的本身去认识和理解物质，这是理想主义的一种自然追求，它将揭示一个深刻的本质问题——质量是从哪里来的？
谈到中国的贡献，陈和生认为，中国政府对中国科学家参与LHC的建设和研究非常重视。我国科技部、自然科学基金委和中国科学家共同支持了其中两个探测器CMS和ATLAS的建设，中国多所大学还以自筹经费等方式参加了另外两个探测器ALICE和LHCb的建造，总计达8000多万元人民币。“这个数目对我们国家来说是很大一笔钱，在CMS的建设上，我们的贡献大概是1%。”
在LHC的全球大型网格网络平台中，中国的节点建在中科院高能物理研究所，这是由几千台CPU集成的计算机平台。“我们有贡献，才能共享全球的平台。”陈和生说：“这意味着，LHC的实验开始后，我们就可以在这里分析数据、研究物理，作出我们中国科学家应有的贡献。而且，随着国家经费的进一步投入，这个平台的能力有望增加一倍。”
寻找希格斯粒子
孩子们常会问母亲：“我是从哪里来的？”物理学家们则一直在探索一个更基本的问题：质量是从哪里来的？宇宙是怎样起源和演化的？
我们已经知道，物质是由分子构成的，分子是由原子构成的，原子是由原子核和电子构成的，原子核是由夸克构成的质子和中子组成的……那么，这些基本粒子的质量又是从哪里来的呢？
科学家们相信，一种名为希格斯的粒子给予了其他粒子以质量。上个世纪理论家在建立粒子物理的标准模型时，为了解决规范场粒子零静止质量的难题，利用英国科学家彼得·希格斯提出的机制引入了一种标量粒子，这种粒子后来被称为是“希格斯粒子”。
物理学家们把一种描述基本粒子的理论称为“标准模型”，它能解释已知世界的大部分现象，“模型”二字表明，这一理论尚未完工，仍在不断发展。标准模型的主要内容形成于20世纪七八十年代，之后逐步走向完善。1995年，美国费米国家实验室宣布发现了顶夸克，至此，描述粒子物理学的标准模型所预言的61个基本粒子，已有60个得到实验数据的支持和验证，而最后一个未被发现的粒子，就是希格斯粒子。
为什么要建造如此巨大的设备来寻找这些捉摸不定的粒子呢？“质量越大的粒子通常需要越高的碰撞能量才能产生。”金山说：“我们不是为了寻找这个或那个粒子而去寻找它们，而是说，通过对它们的研究去理解整个自然界或宇宙的质量起源。物理学家相信，如果希格斯粒子存在，那么LHC就一定能探测到这种粒子，测出它的质量、确定它和其他粒子的相互作用。”
但如果没有找到希格斯粒子呢？“这是一个问题的两个方面。如果标准模型预言的希格斯粒子存在，LHC就一定会发现，这是我们非常坚信的；如果发现不了，其实更有意思，说明标准模型中有关希格斯粒子的假设是错误的，必须发明新的理论，新的挑战又出现了。从科学意义上说，这是一个无尽的前沿。”金山说。
如果寻找到希格斯粒子，证明标准模型是成功的，是否说明粒子物理走到终极了呢？
“不会，这只是人类认识世界的一个新起点。”陈和生说。20世纪初，英国物理学家开尔文在展示物理学前景时说，物理学美丽的天空中飘着两朵乌云，因为当时的物理学看似完美，只有迈克尔逊—莫雷实验和黑体辐射实验得不到解释。对这两个现象的研究导致了量子力学和相对论的诞生。但在今天物理学的天空中，却是黑云压城，因为对宇宙最新的研究表明，现代物理学只能解释仅占宇宙4%的已知物质，其他96%的成分是由暗物质和暗能量构成的，对它们的本质，物理学还全然无知，这是21世纪物理学的新挑战。“如果LHC能够找到暗物质粒子，就将成为钻透黑云的第一缕阳光，彻底改变物理学天空的面貌。”
作出中国科学家的贡献
金山与希格斯粒子的寻找有不解的缘分。
他曾在CERN的大型正负电子对撞机（LEP）上的一个寻找希格斯粒子的研究组工作了近6年的时间；2000年，他所在的研究团队在LEP质量为115GeV(10亿电子伏特)的地方看到了希格斯粒子存在的迹象，“当时我们看到了3个非常像希格斯粒子的事例，文章也发表了，轰动了全世界，美国的《纽约时报》和英国BBC等媒体整天都在CERN报道，它们将这3个粒子称为‘黄金候选粒子’，但当时还不能确认它们就是希格斯粒子，只是很像，还必须要有大量的统计数据来证明，但我们已经将希格斯粒子质量的下限提到了115GeV。这时，LEP的能量已经加不上去了，需要更高能量的加速器，也就是说，只有更高能量的加速器在才能将更重的粒子打出来。”
LEP建成于1989年，主要目的是为了寻找希格斯粒子；2001年，LEP停机，腾出隧道用于LHC的建造。
2001年，金山回到了他攻读博士学位的中科院高能物理所，负责北京正负电子对撞机北京谱仪实验的物理研究，并在北京谱仪实验中，发现了X1835等新粒子。2007年，他接替一位退休的研究员，担任LHC上的ATLAS实验中国组负责人。走上新的发现之旅，他非常激动：“这仿佛是一个轮回，10多年前，我在LEP直接参与了发现3个希格斯粒子黄金候选事例的工作，今天又参与LHC的实验，再次寻找希格斯粒子，这是非常令人振奋的一件事。ATLAS中国组按时按质完成了探测器的建设、安装和调试，下一步就是作物理分析，获取物理成果。目前在ATLAS实验的研究中，有10个与希格斯粒子相关的课题得到了合作组正式认可，我们中国组的成员被指定为其中一个课题的召集人。可以说我们在前沿热点课题中占有了重要的一席之地。”
有如此众多的科学家小组都在努力寻找希格斯粒子，中国组有什么优势呢？
“坦率地讲，我们的优势并不明显，中国组的物理分析工作起步较晚，经费投入有限，经验相对不足。比如说，我们中国组的4个单位从教授到研究生，总共才20多个人，而在德国马普的一个相关研究组里，博士后就有10多个，我以前所在的美国威斯康星大学希格斯研究小组已经持续了10多年研究，因此，从人力、经验和财力上，我们与他们不在一个数量级上。但为什么还要做呢？我认为在这种前沿的科学研究中，应该作出中国科学家特有的贡献，这应该是我们追求的目标吧！”
从纵向的角度看，国家的投入在增加之中。金山说：“当初建LEP时，中国政府有一定投入，但在作其后的物理研究时，就投入很少了。当时在LEP工作的中国科学家有许多是在其他国家的研究小组中工作，他们做出了非常漂亮的工作，为LEP作出了很大贡献，但不能讲是中国人独立的贡献，这是非常遗憾的事。现在，中国政府不仅对LHC的建设有投入，也在投入建设后的物理研究，在ATLAS和CMS实验每个都投入了1000多万元，专门作物理分析和研究，这是一个很大的进步。”
“我们是国际高能物理的有机部分”
中国的高能物理在世界上处于什么样的地位？LHC的建成对中国高能物理学研究有什么影响？
陈和生说，中国科学院高能物理研究所成立于1973年，北京正负电子对撞机是在我国几代领导人的关怀下建造起来的，小平同志参与了1984年的破土动工典礼和1988年的落成典礼，并在落成典礼上发表了《中国必须在世界高科技领域占有一席之地》的重要讲话。“经过20多年的努力，高能所全体同志没有辜负小平同志的期望，我们在北京正负电子对撞机上取得了很好的成就，已经在世界高能物理领域占有了一席之地，我们对粲夸克的研究已经处于世界领先地位，让一度沉寂的粲物理重新活跃起来。从2004年开始，国家投入6.4亿元，对北京正负电子对撞机进行重大工程改造，预计将其性能提高100倍，目前，我们已经完成了建设任务，正在调试之中。”
“来自美国、俄罗斯、日本、意大利等国的科学家也都参与了北京谱仪的合作，共同研究粒子物理最前沿的问题。可以说，许多问题，如果没有北京正负电子对撞机的精确研究成果，是不可能回答的，我们是整个世界高能物理研究的有机组成部分。
“从20世纪80年代初开始，中科院就和欧洲粒子物理研究中心建立了合作协议，有大量的人员和技术交流，我们对那里的许多实验都作出了重要贡献，他们也在人才培养和技术方面给予我们许多支持。今天，LHC的建成将进一步促进这种合作关系。今天，大家在看到LHC时，也会想到应该给予中国的正负电子对撞机以更多的支持和关注，也希望能吸引更多的年轻人投入到粒子物理研究中。”陈和生说。
《科学时报》 (2008-11-5 A2 综合)
