海遠繼續在本文略為介紹《The God Particle:If the Universe Is the Answer, What Is the Question?》(以下簡稱《The God Particle》)〈Chapter 6: Accelerators: They Smash Atoms, Don’t They〉,這本書第六章內容涵括「粒子加速器及粒子對撞機的發展」(This chapter covers the development of particle accelerators and particle colliders)。

「粒子加速器」(Particle accelerator) 是利用電場來推動帶電粒子,使之獲得高能量。日常生活中常見的粒子加速器,有應用於電視的陰極射線管、X光管等設施,亦有應用於「放射線療法」(Radiotherapy) 治療癌症及「核子醫學」(nuclear medicine) 等工具。

高能加速器則用來研究粒子對撞,及對撞後所產生的「次原子粒子」(subatomic particles),即是網誌327所提及的「標準模型粒子」(Standard Model Particle),粒子加速器及粒子對撞機亦被一般稱為「原子擊破器」(accelerators and colliders are also commonly referred to as atom smashers),讀者可從下列項目找尋相關資料–

List of accelerators in particle physics – wiki,網址是–
“http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_accelerators_in_particle_physics”;

Particle accelerator – wiki,網址是–
“http://en.wikipedia.org/wiki/Particle_accelerator”。

大型實驗粒子物理學研究中心包括:

(1)「布魯克黑文國家實驗室」(Brookhaven National Laboratory) – 位於美國長島,網址是–
“http://en.wikipedia.org/wiki/Brookhaven_National_Laboratory”;

(2)「德國電子加速器」(Deutsches Elektronen-Synchrotron;簡稱DESY) – 是德國的大型粒子物理學研究機構,位於德國漢堡,網址是–
“http://en.wikipedia.org/wiki/DESY”;

(3)「SLAC 國家加速器實驗室」(SLAC National Accelerator Laboratory) – Stanford Linear Accelerator Center , operated by Stanford University under the programmatic direction of the U.S. Department of Energy Office of Science,網址是– “http://en.wikipedia.org/wiki/SLAC_National_Accelerator_Laboratory”;

(4)「布德克核子物理研究所」(Budker Institute of Nuclear Physics;BINP) – 位於俄羅斯西伯利亞 Siberian town Akademgorodok,網址是– “http://en.wikipedia.org/wiki/Budker_Institute_of_Nuclear_Physics”;

(5)「日本高能物理研究所KEK」(National Laboratory for High Energy Physics),位於日本「筑波科學城」(Tsukuba,Scientific Town),成立於1971年,測試微中子,網址是–
“http://www.lssf.cas.cn/kpzt/kpztk/201001/t20100117_2728132.html”;

(6)「費米國立加速器實驗室」,位於美國芝加哥附近,其主要設備是「太伏質子加速器」(Tevatron),網址是–
“Http://en.wikipedia.org/wiki/Fermilab”;及
“http://en.wikipedia.org/wiki/Tevatron”;

(7)「歐洲核子研究中心」,位於法國和瑞士邊境日內瓦附近,其主要儀器包括「大型強子對撞機」(Large Hadron Collider) ,網址是–
“http://en.wikipedia.org/wiki/CERN”;及
“http://en.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider”。

該篇章主要討論–
(A) 「費米國立加速器實驗室」(Fermilab);及
(B) 「歐洲核子研究組織」(European Organization for Nuclear Research;簡稱CERN)。

(A) 「費米國立加速器實驗室」(Fermi National Accelerator Laboratory;Fermilab;見附圖一) 成立於1967年,在1983年建成「太伏質子加速器」(Tevatron),是當代最强的粒子加速器。1995年,在此發現了第六種夸克:「頂夸克」(the top quark—the last fundamental fermion predicted by the standard model of the particle physics)。但於2008年9月,歐洲粒子物理研究中心建成的大型強子對撞機,設計可產生七倍於費米實驗室記錄的能量。因此,在2011年 Tevatron 被正式關閉。

在1978至1989年期間,《The God Particle》的作者「利昂.萊德曼」(Leon Max Lederman) 出任費米國立加速器實驗室的總裁 (Director of Fermilab);1977年,萊德曼領導費米國立加速器實驗室的科研小組發現「bottom quark」;1988年,萊德曼獲頒諾貝爾物理學獎。萊德曼支持並設計一個更强的對撞機 — The Superconducting Super Collider Project,但在1989年蘇聯解體後,美國政府削減科研經費而中止這計劃。1993年,萊德曼出版《The God Particle》這本書,其實是表達對美國政府削減科研經費的不滿,最尖端的物理研究被歐洲取代了。

“Fermilab’s Tevatron was a landmark particle accelerator; at 3.9 miles (6.3 km) in circumference, it was the world’s second largest energy particle accelerator (CERN’s Large Hadron Collider is 27 km in circumference), until being shut down on September 30, 2011. Now Fermilab continues to participate in the work in the LHC.”

有關萊德曼的資料,可參考《維基網頁》Leon Max Lederman – wiki,網址是–
“http://en.wikipedia.org/wiki/Leon_M._Lederman”。

(B) 「歐洲核子研究組織」是現今世界上最大型的粒子物理學實驗室(見附圖二),也是「全球資訊網」(亦稱萬維網;world wide web) 的發祥地。該組織於1954年成立,初時簽字發起人祇有12位,現在會員增加到20名成員國(見附圖三),總部位於瑞士日內瓦近郊的「梅蘭」(Meyrin) 地區。它的主要功能,是為高能物理學研究的需要,提供粒子加速器和其它基礎設施,以進行許多國際合作的實驗。同時也設立了資料處理能力超強的大型電腦中心,協助實驗數據的分析,供其他地方的研究員使用,形成一個龐大的網絡中樞。

「全球資訊網」(www) 是歐洲核子研究組織之「詢問計劃」(ENQUIRE) 的產物,是由「蒂姆.伯納斯-李」(Tim Berners-Lee) 在1989年發起。根據超文本的概念,計劃目的是為研究人員能更有效地分享資訊。第一個網站建於1991年,及至1993年4月30日,歐洲核子研究組織宣佈開放「萬維網」給所有人使用。有關Tim Berners-Lee及world wide web的資料,可參考以下兩個網頁:

Tim Berners-Lee – wiki,網址是–
“http://en.wikipedia.org/wiki/Tim_Berners-Lee”;

World Wide Web – wiki,網址是–
“http://en.wikipedia.org/wiki/World_Wide_Web”。

「大型強子對撞機」(Large Hadron Collider;縮寫:LHC) 是一座位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織的對撞型粒子加速器,作為國際高能物理學研究之用,2008年開始運作,成為世界上最大的粒子加速器設施。大型強子對撞機是一個國際合作計劃,由全球85國家的多所大學與研究機構,逾8,000位物理學家合作興建,經費一部份來自歐洲核子研究組織會員國提供的年度預算,以及參與實驗的研究機構所提撥的資金。中國也是其中一位非會員國家(Non-Member States)。

歐洲核子研究組織的特色是:多國合作;資訊開放;純粹科研;已成為當今科學界的聖地。

「大型強子對撞機」(Large Hadron Collider) 的資料:

“The LHC represents a large-scale, worldwide scientific cooperation project. The LHC was built in collaboration with over 10,000 scientists and engineers from over 100 countries, as well as hundreds of universities and laboratories. It lies in a tunnel 27 kilometres in circumference, as deep as 175 metres beneath the Franco-Swiss border near Geneva, Switzerland.

It was built by the European Organization for Nuclear Research (CERN) from 1998 to 2008, with the aim of allowing physicists to test the predictions of different theories of particle physics and high-energy physics, and particularly prove or disprove the existence of the theorized Higgs particle and of the large family of new particles predicted by supersymmetric theories. The Higgs particle was confirmed by data from the LHC in 2013. The LHC is expected to address some of the unsolved questions of physics.

Collision data was also anticipated to be produced at an unprecedented rate of tens of petabytes per year, to be analysed by a grid-based computer network infrastructure connecting 140 computing centers in 35 countries (by 2012 the LHC Computing Grid was the world’s largest computing grid, comprising over 170 computing facilities in a worldwide network across 36 countries).”

2012年7月4日,歐洲核子研究組織宣布,LHC的「CMS」及「ATLAS」測量到兩種極像「希格斯玻色子」(Higgs boson) 的粒子;2013年3月14日,該組織發表新聞稿正式宣布,先前探測到的新粒子是「希格斯玻色子」。2013年10月8日,「弗朗索瓦.恩格勒教授」(François Englert)及「彼得.希格斯教授」(Peter W. Higgs) 榮獲2013年諾貝爾物理學獎。而「希格斯玻色子」亦因為《The God Particle》一書而受到西方傳媒的特別注意和報導。

歐洲核子研究組織找到了「希格斯玻色子」,為「標準模型」(standard model of elementary particles) 寫下完整句號。但幾十年來,物理學又有許多新發現和研究課題,例如:

「萬有引力」與「重子」(gravity and graviton);
「物質」與「反物質」(matter and anti-matter);
「暗物質」與「暗能量」(dark matter and dark energy);
「弦論」(string theory) …等。

歐洲核子研究組織已開始研究這些課題,甚至計劃建造更强力的粒子加速器和對撞機,但這些計劃都需要花費天文數字的金錢,因此仍會沿用多國合作的方針進行。

備註:本文部份資料及圖片,取材自《維基網頁》,謹此鳴謝。

附圖一:A satellite view of Fermilab. The two circular structures are the Main Injector Ring (small) and Tevatron (big).

God-Particle01

附圖二:CERN’s main site, from Switzerland looking towards France

God-Particle02

附圖三:歐洲核子研究組織成員國分佈圖,Formation:29 September 1954;Headquarters:Geneva, Switzerland;Membership:20 member states and 7 observers

God-Particle03

這篇文章發表 於 星期一, 二月 10th, 2014 11:26 上午 在 邁向現代 Road to Modernity. 你可以回應這篇文章透過 RSS 2.0 feed. 你可以 留下回覆, 或 引用 從你的個人網站.

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