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親身體驗史上最大物理實驗— CERN OPENDAYS

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!

文/曾琬迪

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 LHCApparatus, 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。

圖1

一個歷史性的時刻:LHC 首度試運轉成功,在控制室的科學家紛紛鼓掌叫好。

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!

CERN小檔案

CERN是世界上最大型的粒子物理實驗室,位於瑞士日內瓦西部接壤法國的邊境。它的前身是1954年由十一個西歐國家共同簽署公約成立的「歐洲核子研究委員會」(Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire,簡稱CERN),而後改名為「歐洲核子研究組織」(Organisation Européenne our la Recherche Nucléaire),但舊的簡稱CERN仍沿用至今。CERN成立之初,是為了在歐洲建立一個世界級的基礎物理研究組織。當時,基礎物理的研究重心是原子的內部結構,所以稱為「核子」研究組織。不過時至今日,CERN的研究範圍已經遠遠超過原子核的研究,來到「粒子物理學」的範疇,所以現在
CERN的實驗室通常被稱為「歐洲粒子物理實驗室」。目前參與CERN的會員國已由最初的11國增加到20國,除了超過2400名的正職員工,還有來自113個不同國家、600餘所大學機構的一萬名科學家和工程師,在此進行試驗——全世界一半的粒子物理學家都在這裡了!

LHC與探測器

LHC於1994年年底由CERN的會員國投票決議興建,其目的除了尋找希格斯粒子,更為了進一步探索宇宙的組成成分——包括最神祕的暗物質與暗能量。這部人類史上最複雜也最龐大的實驗儀器,建造於1998~2008年間,由超過八千名科學家和工程師合作興建,耗資近百億美元。LHC位於法國和瑞士邊界的地底50~175公尺處,其結構包括讓質子束加速的環形「加速器」,以及在四個碰撞點設置的七個「探測器」。其中CMS和ATLAS是通用型的粒子探測器,用來尋找希格斯粒子和新的物理現象,其所收集到的數據,由兩個大型研究團隊分別進行獨立分析,藉此驗證彼此的實驗結果。而大型離子對撞機(A Large Ion Collider Experiment,ALICE)和LHC底夸克探測器(Large Hadron Colliderbeauty, LHCb),則是為了特定目標所設計的:ALICE研究鉛離子對撞後產生的夸克–膠子漿,以了解宇宙的形成;LHCb研究底夸克的性質,以了解正粒子和反粒子的不對稱原因。

圖A

LHC 的四個主要探測器:緊湊緲子螺管探測器(CMS)、超導環場探測器(ATLAS)、大型離子對撞機(ALICE)和LHC 底夸克探測器(LHCb)的相對位置圖。其中ATLAS 與CMS 是通用型的粒子探測器,而LHCb 與ALICE 則是較小型的特殊目標探測器。

除了上述四個主要的探測器,LHC還有另外三個小型的探測器:TOTEM、MoEDAL和LHCf,用來從事更專門的研究。

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。

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。

圖2

走下電車之後,第一眼就會看到稱為「科學創新之球」的大型穹頂建築,主要舉辦各類與CERN 相關的展覽。這個球體建築並不小,卻也只占整個活動會場的一小角而已。

圖3

美國藝術家Josef Kristofoletti 費時一年多完成的心血結晶,網路上有完整的縮時攝影全紀錄,可以看見他精彩的創作過程。

圖4

進入這個戒備森嚴的電梯,就會到達地下八十公尺深的ATLAS 探測器。

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。

除了宇宙最冷的超導磁鐵,ATLAS 探測器還有一個很厲害的地方,就是它的數據處理系統。在LHC 運轉的時候,平均每秒鐘會發生4000 萬次碰撞,而每個碰撞所生的資料量,大概就跟一張照片差不多,也就是說,每秒鐘就會新增4000萬張照片!這麼驚人的資料量,如果要全部存下來,硬碟就得堆到月球上去了。因此ATLAS 探測器的做法是,先初步篩選有興趣的高能量碰撞,每秒鐘只留下450~600 個碰撞事件,再針對這些事件做進一步分析。儘管數據已經大幅度刪減,LHC 仍舊累積了海量的資料,目前已超過100 PB(Petabyte,千兆位元組),相當於10 萬顆容量1TB 的硬碟。為了處理大量的數據,CERN 召集了全球網格計畫(World-wide LHC Computing Grid, WLCG),共有約40 個國家在世界各地200 多個計算中心,共同處理LHC 產生的資料。值得一提的是,中央研究院也參與了這項計畫,而且是亞洲唯一的一級中心(Tier-1Center,全球共有11 個)。

圖5

ATLAS 探測器示意圖。

圖6

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。

 

為什麼探測器要分那麼多層?

ATLAS探測器中的三層探測設備任務各不相同:軌跡追蹤器可以精確地追蹤帶電粒子的軌跡,量能器可以測量粒子的能量,緲子譜儀則用來偵測極具穿透力的緲子。而磁鐵系統會產生磁場,促使帶電粒子在移動時發生偏轉,讓軌跡追蹤器和緲子譜儀藉由粒子偏轉的曲率,測得它們的動量。透過這三層探測器,質子束碰撞後所產生的粒子將無所遁形,全部被紀錄下來,進行進一步的分析。
下圖中可以清楚地看出,各層探測器偵測的是什麼粒子。緲子帶有電荷,因此會在強大的磁力作用下發生偏轉,之後就穿越量能器,在緲子譜儀被偵測到。光子和電子都涉及電磁作用,因此它們的能量會被電磁量能器偵測到,其中光子因為不帶電,所以不會偏轉,也不會被軌跡追蹤器記錄下來。至於質子和中子,因為不涉及電磁作用,所以能夠穿透電磁量能器,但因為它們都會受到強作用力,所以會被強子量能器偵測到;同樣地,不帶電的中子也不會在軌跡追蹤器裡留它的蹤跡。
微中子是唯一不能直接被探測到的已知穩定粒子,因為它不帶電荷,也不參與電磁交互作用或強交互作用。微中子的存在只能用推測的。每個對撞事件中,所有粒子的總動量必須等於零,如果除了微中子以外的所有粒子都被偵測到了,那麼我們就可以從缺失的動量,推斷出微中子的存在。要達到這個目標,探測器必須是一個封閉系統,並且必須偵測到所有除了微中子以外的粒子,這是工程學的一大挑戰。

圖B

由於有太多人等著參觀ATLAS,我們只在地下停留了短短15 分鐘。儘管如此,那震撼已經太過強烈,就像質子束的碰撞一樣,激起了無數的火花。

小宇宙科學館

如果你對粒子物理有很多困惑,或是想了解CERN 和LHC 究竟在研究些什麼,來一趟小宇宙科學館(Microcosm),一定可以找到你要的答案。這裡是平時就對外開放的區域,可以說是以粒子物理為主題的科學博物館。如果錯過了CERN OPENDAYS,找個機會去小宇宙科學館參觀,也是個不錯的選擇。出發前記得先上網查詢開放時間,因為國定假日是固定休館的。

走進小宇宙科學館,你會先經過一條長廊,長廊的牆上貼著一長串海報,串出了CERN 的起源。故事從1949 年的德布羅意(Louis de Broglie)說起,那年他在歐洲文化會議上提議,歐洲國家應該共同創立一個科學實驗室。短短三年的時間,11 個歐洲國家就在一場會議上達成共識,決定成立CERN,並且選定瑞士日內瓦作為實驗室的預定地。1954 年9 月29 日,會員國共同批准公約,CERN 正式成立,也開啟了歐洲與美國的高能物理競賽。這場競賽互有輸贏,到了希格斯粒子被證實的那一刻,CERN 立下了一個里程碑,也證明了合作的力量。而這樣的合作精神,在小宇宙科學館可見一斑——所有的解說都是用四國語言寫成,包括法文、英文、義大利文和德文。

圖7

這個房間裡懸吊了十幾副耳機,你可以來到有興趣的問題前面,拿起耳機,選擇你要的語言(可惜沒有中文),聆聽關於宇宙的奧祕。

了解LHC 最主要的四個探測器:CMS、ATLAS、ALICE 和LHCb。現場也放置了一個ALICE 探測器的模型,讓你了解它的內部結構和每個儀器的用途。

以上所述都是小宇宙科學館的常設內容,不過既然是難得一次開放日,CERN 當然準備了更精彩的活動。走到小宇宙科學館的出口,一拐彎就進入了另一個空間,裡面就像是假日市集一般,擺了好多張長桌,每張桌子都站著一個穿著橘色制服的科學家,對著圍觀群眾講解CERN 所發展的各種尖端技術,如何改變我們的生活。像是我們每天都會連上的全球資訊網(WWW),就是在CERN 工作的英國科學家伯納斯–李(Tim Berners-Lee),為了滿足科學家之間共享訊息的需求,而研發出來的技術。

圖8

模擬LHC 碰撞的體感遊戲很受歡迎,雖然只是個簡單的遊戲,卻引人思考:要讓兩束質子束恰好在探測器的位置碰撞,究竟該怎麼做呢?

不過這裡最吸睛的,是一個結合Xbox遊戲主機技術的體感遊戲。每輪遊戲由兩個人共同參與,每個人分別代表一束質子束。你可以用腳來發射質子束,當兩端發出的質子束對撞在一起,背景螢幕就會顯示出碰撞後粒子激發的狀態,同時兩個人都會獲得分數。如果碰撞點離你的距離較遠,就表示你發射的時間較早,你還可以獲得更多分數喔。

如果在室內待久了想出來透透氣,小宇宙科學館的外面還有一個「科學花園」,陳列了CERN 過往實驗所用的大型儀器,每台儀器都曾風光一時,包括1973 年發現中性流的卡岡梅爾氣泡室(筆者覺得它看起來很像一個大黑輪)。這些儀器雖然已經是老古董了,但以現在的眼光看來,依舊很有科幻感,讓人忍不住幻想,深夜十二點時,所有的儀器會不會活過來跳舞呢?

一場成功的科學嘉年華

CERN OPENDAYS 連續兩天的活動下來,總共有七萬人湧入參觀,其中兩萬名幸運兒獲得地下參觀的機會。一位來自台灣的工程師說:「太屌了,他們竟然拼出這麼大的儀器,而且真的可以用,還在這麼短的時間內就找到了希格斯粒子!」一名英國的退休物理教師說:「我一直嚮往這樣的活動,但卻一直到退休才有機會參與,這兩天真是太棒了,科學教育不就應該像這樣嗎?」而就算是CERN 資深的物理學家,也有同樣的感動:「這場活動展現了CERN 研究的多樣性,真是不可思議,連我也發現了新東西。」

圖9A圖9B圖9C小宇宙科學館附設的科學花園。由上至下分別是:大型歐洲氣泡室(Big European BubbleChamber, BEBC)、大型電子正子對撞機(Large lectron–Positron Collider, LEP)的射頻腔、卡岡梅爾氣泡室(Gargamelle Bubble Chamber)。

連續兩天的活動都持續到晚上八點, 直到CERN 的地標「科學創新之球」亮起夜燈,與會者仍流連忘返。每個人臉上滿足的笑容,已經說明了一切。毋庸置疑,這是一場成功的科學盛會。

要舉辦這樣成功的科學展覽,需要具備哪些條件呢?筆者認為,或許可以歸納為以下幾點:

一、多元設計:CERN 雖然聚焦於粒子物理研究,這次活動卻展現了驚人的多樣性,不僅有豐富的主題,活動設計更是精彩:有靜態的展示、有專人導覽的地下參觀和實驗室參觀、有實際動手做的小型workshop、有實驗演示、有競賽活動、有小劇場,也有3D 電影,更有多場不同主題的演講。在這裡,每個人都能找到他最喜歡的學習方式。

二、互動交流:為了支援這場規模龐大的活動,CERN 召集了2300 位志願工作者, 擔任導覽員或是服務人員。這樣龐大的工作團隊,搭配豐富的活動設計,促成了許多小規模的導覽、示範講解和實際操作,在約莫十幾個人的團體中,民眾真的可以實際參與活動,近距離和專家互動。

三、老少咸宜:除了多元的活動安排,CERN 也兼顧了各個年齡層的需求,有給小小孩玩的積木組裝和親子劇場,也有為學生設計的樂高模型競賽,而活動場所是否設有無障礙空間,也都會特別註明。每個人都是貴賓,都被禮遇。

四、指示清晰:大型活動最怕亂,如何設計指示系統,讓參與者能夠輕鬆優游,是成功的重要關鍵。CERN OPENDAYS 設計了一目了然的導覽手冊,將地圖、活動和接駁等重要資訊,全部整合在短短六面的摺頁。此外,還有一款很棒的智慧型手機APP,不僅依照主題和區域羅列出完整的活動內容,還可直接連結到地圖,並且定位現在位置。所以雖然活動很多,場地也很大(從梅蘭院區前往參觀CMS,搭乘接駁車需時45 分鐘),卻完全不會讓人無所適從。

五、鼓勵參與:這是一場完全免費的活動,參與活動免費,停車免費,而市區電車不僅免費還配合加開班次。這一切措施,配合超過半年的長期宣傳,在在將參與門檻降到最低,讓所有對CERN 有興趣的人,只要起心動念就能參與盛會。

唯有熱情創造一切

撇開CERN OPENDAYS 籌備小組的用心良苦,這場活動最讓人感動的地方,其實是人們的熱情。2300 名志願者,拋下他們的實驗工作,犧牲他們難得的週末假期,就為了訴說粒子物理的奧祕。七萬名群眾,從世界各地湧入,不僅為了一睹LHC 的風采,也為了對這門困難的學問,有多一點點的理解。這樣的熱情,讓上萬名科學家聚集在一起,跨越國籍和信仰,共同奉獻他們的生命,只為了回答一個關於宇宙的問題。

我想起在《上帝的粒子》書中看到的一則小故事:

LHC 在2011 年4 月22 日午夜,創下瞬間亮度的新世界紀錄。當晚的工程師負責人名叫龐塞,她在小時候曾經造訪過CERN,後來在1999 年加入實驗室,進行博士研究。當時是午夜,只有少數幾個還待在控制室裡的人見證了那個時刻。龐塞大喊大叫、手舞足蹈,就像當年那個參觀CERN 的青少年一樣,在空中揮舞雙臂。

科學讓人著迷,讓人燃起所有的熱情,投入一切。可是科學研究也是孤獨而不被理解的,它需要讓更多人感受它的魅力,它需要認同者,也需要後繼者,不斷傳承知識的火炬。

CERN 花費大量資源和人力舉辦這樣一場大型的科學展覽,究竟是為了什麼?在科學家和參與者的熱烈交流中,我找到了答案。

後記

標準模型的理論,隨著今年諾貝爾物理獎的頒發,似乎畫下了完美的句點。若真如此,粒子物理學的下一步該走向哪裡呢?標準模型還有可能被推翻或修改嗎?我們對實體物質的理解已經到達盡頭了嗎?CERN 的未來又將如何發展?

你可以上網看看這次CERN OPENDAYS完整的演講內容,答案或許就在影片中呢!

參考資料

  1. CERN官方網站
  2. CERN opendays 2013
  3. Anais Rassat, 10 Reasons to Visit the CERNOpen Days, ‘Dark Universe’, 2013.
  4. 余欣珊,<加速變奏曲—探索基本粒子的大強子對撞機>,«科學月刊»43 卷第5 期。
  5. 巴格特,柯明憲譯,«上帝的粒子:希格斯粒子的發明與發現»,貓頭鷹出版社,2013 年。

曾琬迪:前科學月刊主編

原刊載於科學月刊第四十四卷第十二期。

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