2013年12月5日

親身體驗史上最大物理實驗—CERN OPENDAYS

作者/曾琬迪(前科學月刊主編)

歐洲核子研究組織在發現希格斯粒子之後,首次打開大門,讓我們一探究竟!

2012年7 月4 日,歐洲核子研究組織(CERN)首次公開發表「希格斯粒子」的發現,50年前提出希格斯機制的希格斯和盎格列都受邀入席。當緊湊緲子螺管探測器(Compact Muon Solenoid, CMS)和超導環場探測器(A Toroidal LHC Apparatus, ATLAS)兩個團隊先後公布成果,希格斯老先生當場老淚縱橫:「對我來說,這真是難以置信。這一切竟然會在我有生之年發生。」

而讓這一切得以發生的, 正是CERN 的大強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC),以及數千名在此努力不懈的物理學家和工程師。

LHC 這個名詞從五年前開始廣為人知,2008 年9 月10 日是它第一次試運轉成功,在周長27 公里的超大環形加速器中,兩道質子束成功地完成繞行——這個人類史上最昂貴的科學儀器,真的可以實際運作!消息一出,馬上攻占世界各大媒體版面,據CERN 的媒體公關部表示,這也是它們的網站流量第一次超越美國航太總署(NASA)。

今年3 月,CERN 終於正式宣布,先前探測到的新粒子確認是希格斯玻色子,LHC 至此暫時功成身退,依照原定計畫停機兩年進行升級,提升質子束至更高的能量等級,要到2015 年才會重新啟動。

在LHC 停機的這兩年,CERN 也沒閒著,除了繼續分析海量數據,並為下階段做足準備,他們也決定打開大門,舉辦兩天CERN OPENDAYS,開放民眾參觀地下一百公尺深的LHC 內部,親身體驗「大科學」的魅力。距離上次CERN 開放民眾參觀,已經長達五年之久,而這次又是LHC發現希格斯粒子後首度開放,千載難逢的機會,讓科學愛好者趨之若鶩,甚至有業者籌畫了專門的參訪團。一名物理部落客,列出了十個你一定要去的理由:

一、錯過這次,你得再等五年!(LHC 預定於2018 年再度停機升級)
二、深入地下一百公尺,到達希格斯粒子首度被發現的地方。
三、親眼目睹讓LHC 停機的關鍵裝置。
四、拍攝藝術家繪製的ATLAS 巨型壁畫。
五、按下ATLAS控制中心的緊急警報按鈕。
六、參觀第一部WWW 伺服器。
七、透過ALICE 認識「夸克– 膠子漿」。
八、在展示中心的「未來椅」上放鬆一下。
九、想知道更多嗎?你可以直接詢問現場的粒子物理學家。
十、活動全部都是免費的,甚至還包含日內瓦的市區交通。

是不是很令人心動呢?不過瑞士畢竟有點遙遠,如果你沒能參與此次盛會,沒關係, 現在就讓我們一起瞧瞧CERNOPENDAYS 有哪些精彩的內容吧。準備好了嗎? Let’s go !

「我們的宇宙是你的!」

CERN OPENDAYS 在2013 年9 月28日、29 日盛大展開,兩天的活動都是從早上九點到晚上八點。參與民眾可以免費搭乘日內瓦的公共交通設施,直接抵達主要活動會場——梅蘭(Meyrin)院區。雖然只有短短兩天,活動內容卻非常地豐富:CERN 在9 個區域安排了37 個地面參觀點,40 個不同主題的演講(共有224 場次,英、法、德、義四種語言),而最令人興奮的,莫過於深入地底100 公尺的地下參觀!

由於地下參觀有人數上的限制,所以必須先在網路上預訂門票才能參加。CERN從八月中開始,連續三週分期釋放門票,且只讓每個人登記一個場次,以確保所有人都有機會。門票釋出的方式也很有趣,網站會先預告你下次釋放的時間,是某一天當中的其中一小時,但在那一個小時內的釋放時間則是隨機的。筆者為了搶票,從預定時間前五分鐘就坐定電腦前,不斷重載頁面,最後總算如願以償,搶到了最想看的ATLAS 地下參觀門票。

除了地下參觀之外,其他所有活動都是自由入場。你可以近距離和粒子物理學家交流,參觀他們工作的地方,像是世界網格運算的心臟——計算機中心,或是LHC 的中樞神經系統——控制中心。你可以參觀加速器、反物質工廠、低溫和晶體實驗室,以及組裝超導磁鐵的巨型磁鐵設施。除此之外,CERN 還準備了許多特別的活動,像是介紹LHC 的3D 電影、讓學童可以自己動手做的「趣味空間」、彷彿變魔術一般的「科學劇場」,還有13 組樂團輪番上陣,讓你走累了可以坐下來聽聽音樂,享受科學與人文的交會。

這是一場盛大的科學展演,也是科學家和民眾同樂的嘉年華會。就像CERN OPENDAYS的口號「我們的宇宙是你的!」研究宇宙奧祕的CERN 這兩天完全開放給民眾,前來參觀的每一個人,都是最重要的主角。

巨大的科學,真美!

由於CERN OPENDAYS 的活動實在太過豐富,就算你待上兩天也沒辦法全部逛完。以下就挑選幾個重點主題,跟大家分享。

ATLAS 探測器
ATLAS 探測器長46 公尺,直徑25 公尺,是LHC 中最大型的探測器,也是有史以來最大的一個探測器。既然來到CERN,當然不能錯過ATLAS 的地下參觀。
ATLAS探測器實在太過龐大,雖已使用廣角鏡頭,仍難以拍攝全貌。

地下參觀以12 人為單位, 由一位CERN 的研究人員親自帶領參觀。途中經過ATLAS 控制中心大樓,可以欣賞到美國藝術家克里斯佛提(Josef Kristofoletti)所創作的大型壁畫,畫中描繪粒子在ATLAS 探測器中碰撞的情形,繽紛的色彩充滿整個牆面,引人注目。雖想駐足欣賞,不過後面等著參觀ATLAS 的隊伍還排得很長,我們只能加快腳步繼續前進。

通過一扇小門,我們進入一棟建築,裡面充滿了管線、鐵架,還貼了很多放射線警告的圖示。導覽員很貼心地拿出輻射偵測器,告訴我們現在是停機時期,所以不會偵測到任何輻射值,大可安心。接著我們經過一扇戒備森嚴的門,進入通往地下的電梯。

ATLAS 探測器是以碰撞點為中心的一系列同心圓柱體設備所組成,主要分為三層探測設備,由內到外分別是:內部軌跡追蹤器(Inner Tracker)、量能器(Calorimeters)和緲子譜儀(Muon Spectrometer)。其中內外兩層還配備了磁鐵系統(如下頁圖示)。我們參觀時所在位置是在圖中左側小人下方的地面,因此只看得到緲子譜儀,不過光是如此,就足以讓人目瞪口呆說不出話來了。閃爍著金屬光澤的緲子譜儀,還有纏繞周圍的複雜管線,絕對比任何一個電影場景更震撼人心。

站在ATLAS 探測器面前,導覽員向我們解釋眼前的儀器是探測器的哪個部分,整個探測器又是如何運作。他告訴我們ATLAS 的磁鐵系統用的是超導磁鐵,由超導線圈構成,是一種很特殊的材料,不僅能產生巨大的磁場,也因為沒有電阻,維持磁場並不會消耗能量。不過要成為超導體卻有一個前提:磁鐵線圈必須冷卻到低於臨界溫度——攝氏零下271 度。「我們已知宇宙最冷的溫度是零下270 度,所以這裡是全宇宙最冷的地方。」導覽員笑著說。【更詳細的內容,請參閱第528期科學月刊】

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