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欧洲大型强子对撞机重启开启粒子物理探索新纪元

时间: 2025-03-17 13:22:58 阅读:92


全球最大粒子加速器——欧洲大型强子对撞机(LHC)于近期完成新一轮升级维护,正式进入高能运行阶段。此次重启将推动粒子物理学、宇宙学等领域的前沿研究,探索暗物质、反物质及超对称粒子等未解之谜。

跨越技术瓶颈:从故障到能量翻倍

欧洲核子研究中心(CERN)于2008年首次启动LHC,但因磁体故障导致液氦泄漏,次年被迫暂停。经过修复与加固,LHC在2009年11月重启,并于2015年将质子束流能量提升至13万亿电子伏特(TeV),是此前实验能量的两倍。2022年,LHC在三年维护后再次升级,磁体系统冷却至-271.25℃,接近绝对零度,同时注入器效率提升30%,为更高精度实验奠定基础。

运行阶段能量水平(TeV)关键技术突破
2009年重启3.5修复磁体故障,实现稳定运行
2015年运行13超导磁体能量翻倍,发现希格斯粒子
2022年升级13(目标14)注入器优化,数据采集效率提升

科学目标:从“上帝粒子”到宇宙起源

LHC的核心使命是通过高能粒子对撞模拟宇宙大爆炸后的极端环境,验证粒子物理标准模型并探索其局限性。2012年,LHC发现希格斯玻色子,证实了粒子质量来源的理论。此次重启后,科学家计划:

  1. 精确测量希格斯粒子:分析其衰变路径与耦合机制,验证是否与其他粒子存在未知相互作用。
  2. 搜寻暗物质候选粒子:通过超对称理论预测的“中性子”等粒子,解释宇宙中23%的不可见物质。
  3. 重现夸克-胶子等离子体:利用铅离子对撞模拟大爆炸后百万分之一秒的物质形态,研究宇宙早期演化。
  4. 探索反物质消失之谜:通过对比正反物质行为差异,揭示宇宙中物质占主导的原因。

国际合作:全球科学家的“粒子圣地”

LHC是跨国科研协作的典范,来自80多个国家的7000余名科学家参与其建设与实验。中国科研团队亦在其中发挥关键作用,例如清华大学团队在LHCb实验中首次发现“五夸克态”粒子,推动强相互作用理论的发展。此外,LHC衍生的技术已应用于医疗(如癌症放疗)和信息技术(如万维网协议),彰显基础科学的跨界价值。

争议与未来:科学探索的边界

LHC的运行曾引发公众对“微型黑洞”“奇异物质”等风险的担忧,但CERN多次强调其安全性。与此同时,关于巨型对撞机的成本效益争议持续发酵。诺贝尔奖得主杨振宁曾反对中国建造同类装置,认为应优先投入应用科学。对此,CERN回应称,LHC将持续运行至2040年,后续升级计划(如高亮度LHC项目)将进一步提升数据产出量,为揭示暗能量、额外维度等猜想提供可能。

随着LHC第三轮实验的展开,人类对物质本质与宇宙起源的认知或将迎来新一轮突破。正如CERN主任法比奥拉·吉亚诺蒂所言:“每一次能量提升,都是向未知领域迈出的重要一步。”

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