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物理前沿

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NASA测试地震警报系统时间比以往缩短10倍

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2012/4/2715:

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地震波的痕迹记录了地震的震级——卫星能够更快、更精确地得出这些数据

　　日前，美国宇航局和一个名为“READI网络”的大学联盟开始测试一个基于全球定位系统（GPS）卫星数据的地震警报系统。

据《自然》杂志网站报道，相关科学家指出，该系统能够帮助日本政府将发布精确地震预警的时间比2011年3月日本大地震和海啸时发布警报信息的时间缩短10倍。

　　目前，该系统正在被美国西北太平洋大地测量阵列（PacificNorthwestGeodeticArray）测试使用：

数以百计的GPS接收器沿着加利福尼亚州北部到加拿大不列颠哥伦比亚之间的北美海岸放置。

传感器会提供附近或离岸区域地震断层导致的地层移动的实时测量结果。

　　上周，中央华盛顿大学地质测量师TimMelbourne和一批科学家参加了在圣地亚哥举行的美国地震学会的一个会议，会上Melbourne指出，卡斯卡底古陆俯冲带是关注的重点，这可能是一个9级地震断层。

　　上世纪80年代末期，GPS接收器就被用于研究板块构造学，并且在本世纪早期得到升级，升级后的GPS能够给地质测量师提供更加精确的数据，以作为传统地震台阵的补充。

　　新的地震警报系统安装后，当地震波从危险的断层地区朝人口居住区移动时会首先撞击传感器，并引发预警信息。

这将给政府相关人员几秒钟的时间接收冲击波警报信号，并帮助他们找到震中的位置。

　　“数据在十分之一秒内就能够传到实验室，”Melbourne说，“这样，我们能在半秒钟内很好地估算出确切位置。

”

　　对于地震预测的精确度来说，传统的地震检波器也能提供相似的信息。

例如，4月13日，一个震级约为3.5的小地震发生在美国Aromas附近。

“我在伯克利的台式电脑上也收到了25秒钟的警报。

”加利福尼亚大学地震学实验室主任RichardAllen说。

　　但是，地震检波器也有局限性。

“它们能够成功辨别出2、3、4、6级地震，”Melbourne说，“但是，却很难区分出8~9级地震。

”有部分原因是，在大地震中地面晃动比较久，但是程度区别可能不是非常显著。

　　GPS就不会遇到相关问题，因为它能够直接测量地层的移动情况。

“如果地面突然倾斜几米，这毫无疑问是发生了一起重大地震。

”美国地质调查局地震学家SusanHough说。

　　并且，Melbourne和Allen利用日本地震为例证进行了研究。

2011年3月，日本官员利用地震检波器数据在探知到有重大事件发生的8秒钟内发布了地震警报。

“但是，当时他们认为地震只有7.1级。

”Allen提到。

在2分钟之后，他们将估计震级调整至8.1级，但是，20分钟后，才最终得到确切结果——9级。

　　另外，地震引起的海啸在震后的30分钟内就袭击了日本沿岸地区，由于日本政府低估了地震的级数以及海浪的大小，因此日本公众没有作好充分的准备，以抵御海啸的侵袭。

　　而Melbourne使用自己的方法计算来自GPS的关于日本地震的即时数据，在2分钟内就得出精确的地震级别。

这很难说是否能够拯救更多的生命，“但是，我相信如果他们（日本政府）能在2分钟之内了解震级，一切将会变得不同。

”Melbourne说。

美国西北大学地球物理学家SethStein补充道，如果日本警报系统能更好地运作，将会挽救很多人的生命。

“由于对地震级数估计不够，很多人没有疏散或是疏散的距离不够。

”他说。

　　但是，并不是所有人都认为GPS是一个好的预警系统，其中主要反对意见集中在一个小故障就可能导致GPS发出错误的地震警报。

科技部:

我国高速列车将继续提高速度

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2012/4/198:

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　　昨日，科技部印发《高速列车科技发展“十二五”专项规划》，提出继续“提高列车速度”目标，以及实现“高速列车谱系化、智能化”的目标。

这是中国高速铁路装备发展的战略需求。

　　高速列车突破四大技术

　　“十一五”期间，我国已建成5000公里以上的高速铁路，居世界前列；到2020年，将建成16000公里的高速铁路，届时我国高速铁路的总里程将位居世界第一。

　　为满足顶层战略需求，“十二五”期间，我国高速铁路科技工作将沿如下四个重大技术方向展开：

高速铁路体系化安全保障技术；高速列车装备谱系化技术；高速铁路能力保持技术；高速铁路可持续性技术。

　　未来建智能化高速列车

　　规划提出，为全面提升我国高速铁路运力资源能力和列车运行在途服务水平，将研究具有自检测、自诊断、自决策能力的智能化高速列车系统及智能列车样车。

　　规划提到了战略目标：

以高速列车谱系化、智能化和节能降耗技术为核心，基本形成我国高速列车相关关键技术及重大装备体系。

　　研究出口型高速列车

　　规划明确提出，我国将研制供出口的高速动车系列车型。

　　根据规划，为使高速列车满足我国多样化需求，满足不同地区、不同基础设施条件和不同速度等级，研制高速列车系列车型、常规铁路高速化列车、我国出口型高速列车系列车型和我国高速列车定制化设计制造一体化数字平台。

　　高铁将用新型牵引技术

　　规划提出，为了实现高速列车牵引传动模式的转型，将研究基于永磁电机的新型牵引传动技术。

　　研究该项目的中国南车表示，2003年就着手永磁同步牵引系统基础研究，目前中国南车的永磁牵引系统已在电动汽车领域进行大规模商用，在地铁领域已经进行了超过7000公里的测试，即将大规模商用。

　　中国南车目前正在开发永磁传动高速动车组，预计明年将下线。

　　永磁传动模式下各个部件基本上没有物理接触，所以能量传递快，折损低，节能15%以上。

　　据中国工程院院士、中国南车株洲电力机车研究所所长丁荣军介绍，目前永磁传动技术还在研发过程中。

　　■相关新闻

　　南车试验列车时速575公里

　　新京报讯（记者刘春瑞）昨日，记者从中国南车了解到，该集团研制的500公里高速试验列车试验速度已经达到575公里/小时。

　　中国南车四方股份公司副总工程师梁建英介绍，试验列车试验速度达到575公里/小时，状态良好，所以他们准备进一步提高试验速度，对列车的各项性能进行验证。

　　梁建英表示，目前不知道国内高铁列车在实验室滚动平台上的最高速度是多少，所以无法比较。

　　但据记者了解，目前媒体公开报道的高铁试验最高时速为520公里。

　　中国南车董事长赵小刚曾表示，500公里高速试验列车并不会投入商业运营，而是旨在推动动车的智能化程度和安全监控水平。

　　■对话

　　“将不靠人控制车速”

　　工程院士丁荣军表示高速列车速度受多种制约，但运营速度肯定要提高

　　昨日，科技部印发《高速列车科技发展“十二五”专项规划》，中国工程院院士、中国南车株洲电力机车研究所所长丁荣军对规划的具体内容进行解读。

　　列车各部件将靠电脑检测

　　新京报：

规划中提到的高铁将使用新型的永磁电机牵引传动技术，这项技术研究到了哪一步？

　　丁荣军：

还在研发过程中。

目前高速动车组所用的牵引技术是交流异步电机牵引。

永磁电机牵引最大优势是节能。

总的来说，节能百分之十几没问题。

　　新京报：

规划中提到智能化具体体现在哪些方面？

　　丁荣军：

智能化表现在对列车速度的控制，以及列车的状态和故障的判定等，就是基本不靠人，而是靠计算机对列车各个位置的部件的检测。

　　比如轴承的温度正常是135度，但是到了150度、180度的时候，不是靠人判定的，而是靠计算机通过不同的传感技术判定的。

　　未来高速列车种类会更多

　　新京报：

规划中高速列车谱系化将细化到什么程度？

　　丁荣军：

从速度等级看，现在有200、250、300、350公里时速，未来可能还有时速180公里、城际160公里等级；从载客上来看，现在主要是8辆和16辆编组的，未来可能还有6辆和12辆编组的。

对不同用户的需求，形成系列化的东西。

　　新京报：

规划中提出，继续提高列车速度。

你认为是试验速度还是运营速度？

　　丁荣军：

肯定是运营速度。

　　新京报：

你觉得未来的运营速度最高能提高到多少？

　　丁荣军：

我不能回答。

运营速度与车有关，与线路、信号也有关。

速度高了以后，线路之间的线间距都要变大，线的拐弯半径都要变大。

现在西班牙已经有360公里时速的高铁列车试运行了，我们国家是不是也要那么高，很难说。

科学家研究首次观察到激子内自发相干细节

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2012/4/1716:

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　　美国科学家首次观察到了激子内发生自发相干现象时的各种图案，最新研究有助于他们更好地理解激子以及物质的量子属性，也有望让科学家们研制出新的光电计算设备和消费设备，因为研制出这些光电设备需要深入了解物质和光的基本属性。

　　研究发表于3月29日出版的《自然》杂志。

激子是指半导体内相互依附的电子和空穴对，其决定了半导体的光学属性并使半导体具有光电设备的功能。

加州大学圣地亚哥分校的物理学教授列奥尼德·布托夫领导的科研团队将激子冷却到绝对零度（零下273.15摄氏度）左右，并借用设备，在高于绝对零度0.1摄氏度的条件下观察到了激子的自发相干、自旋纹理和相位奇点。

2002年，布托夫发现，当激子被冷却到足够低温时，其会自发排列成一个有序的微小滴珠阵列，就像一串迷你珍珠项链。

在最新实验中，他们发现，激子粒子的自旋在空间内并非完全一样，而是会围绕这些小滴珠形成一定的图案，他们称之为“自旋结构”。

他们也发现，自发相干图案不仅同自旋极化图案有关，也同相干激子气体内的相位奇点有关。

该研究论文的第一作者、研究生阿历克斯·海表示：

“看到这些图案令人吃惊。

更令人惊奇的是，对极化进行测量表明，相干和极化之间强烈相关。

”布托夫说：

“最新研究有助于我们理解激子的基本属性以及信号处理过程，这对未来建造出激子设备不可或缺。

”物理学家们让激光器照射在被冷却的砷化镓（制造手机晶体管的原材料）样本上制造出了激子。

光会将电子由它们盘踞的原子轨道踢出，从而制造出一个带负电荷的“自由”电子和一个带正电荷的“空穴”，它们之间的库仑相互作用在一定条件下会使它们在空间上束缚在一起，成为激子。

　　然而，因为电子和空穴非常接近，当光出现时，它们有时会相互湮灭。

为了不让湮灭悲剧发生，布托夫团队将电子和相对应的空穴分别置于不同的纳米大小的量子势阱内，这使得制造出的激子具有所需要的寿命，在本次试验中，大约为50纳秒。

海表示：

“在这段时间内，激子会冷却形成凝聚物，并展示出令人感兴趣的自旋物理学。

”科学家们还使用了干涉仪，将光分成两个不同的路径，从而使他们能比较同一样本的两个不同区域的情况，首次看到激子内自发相干的详细细节。

海说：

“以前的实验需要使用光纤并在稀释制冷机内进行，但最新设备让我们能在非常低的温度下给激子拍照，这一点非常重要。

”

科学家打造太阳系互联网：

可接入月球和火星

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2012/4/1716:

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　　据国外媒体报道，目前欧洲空间局正在致力于通过研发开创性的技术为未来载人宇宙探索任务服务，比如未来在月球和火星或者空间站上的宇航员可以通过空间互联网进行相互访问，甚至可以使用该网络控制一个探测器从轨道上降落到行星表面。

环绕地球的导航卫星和来自国际空间站上的宇航员都需要向地球发送数据，而如何共享这些复杂的信息则是将来空间互联网建设的发展重点。

未来宇航员登陆火星将使用空间互联网共享信息

　　在将来，在火星上登陆的火星车或者月球上建立的基地，都将通过轨道卫星中继传输数据以及导航服务。

宇航员飞往距离地球数亿公里的小行星任务中，就需要一个空间互联网将宇航员、控制中心和先进的宇宙飞船上的系统连接起来。

所有的这些行动都需要相互关联、进行网络化的管理。

根据位于德国达姆施塔特的欧洲空间局控制中心负责地面软件开发的研究人员内斯特·佩恰（NestorPeccia）介绍：

我们现在正研究如何利用现有的技术标准用于未来建设空间互联网，比如像移动电话、便携式计算机等接入标准能否应用于新一代的空间网络。

　　事实上，我们未来工作的重点将超出网络的范畴，从目前欧洲空间局和美国宇航局在轨道上的数据交换以及实时共享可以看出，在不同轨道飞行器与地面控制中心之间，需要建立起有效的连接网络，其中也包括通过这个网络来对探测器进行导航以及飞行控制。

自1982年，来自欧洲空间局、美国宇航局以及其他空间机构和企业的专家们都进行定期的会晤，以发展新的、开放式的数据通信标准，这个计划现作为空间数据系统咨询委员会的一部分。

多个空间机构、商业航天公司和卫星制造商承诺正在研发适用于空间硬件和数据交换的标准，甚至可在短时间内实现。

　　在将来，轨道卫星之间发生信息传递的需求量将出现增长，各型探测器和轨道飞行器之间将通过无线电建立起强大的互联网络，甚至在火星轨道上正以每小时数千公里飞行的探测器也将纳入到这个网络中。

在2008年5月，欧洲空间局的火星快车号火星探测器承担了美国宇航局凤凰号着陆器的数据中继传输站，在凤凰号进入火星大气层并降落在火星表面的过程中，前者都扮演了中继通讯的重要角色。

在今年8月份，美国宇航局火星科学实验室“好奇”号火星车登陆火星时，火星快车探测器还将进行中继数据传输服务。

　　2011年2月，欧洲空间局位于全球各地的地面追踪站为俄罗斯火星探测器火星探测器火卫一-土壤（Phobos-Grunt）提供了每日三个小时的数据互联任务，然而，该探测器却在发射后不久被宣布发射失败。

今年10月份，欧洲空间局宇航员安德烈·凯帕斯（AndréKuipers）在国际空间站上练习远程控制位于欧洲空间局操作中心的地面机器人漫游者，这项测试用于模拟轨道卫星与登陆机器人之间的通信链，比如火星。

科学家们希望宇航员、行星登陆无人控制平台以及地面控制中心之间建立稳定的通信链接，形成高效的工作模式。

　　设置技术标准和通信系统的体系结构并不是空间探索领域最高的技术要求，但是这项技术显然是外层空间探索顺利进行的重要保证，比如派遣宇航员前往火星。

在4月16日至19日，来自超过20个国家的空间机构聚集德国达姆施塔特，其中包括美国宇航局、欧洲空间局、法国国家太空研究中心、意大利航天局、德国航天飞行中心以及日本宇航探索局等将就建立庞大的空间互联网进行讨论。

美国科学家开发出“超辐射”激光器技术

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2012/4/1716:

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　　据物理学家组织网近日报道，美国天体物理联合实验室（JILA）的物理学家展示了一种新型的“超辐射”激光器设计，或可比现今最好的可见激光稳定100倍至1000倍。

这种类型的激光能提升最先进的原子钟的性能，并有助于促进通信和导航等相关技术的改进。

相关研究报告发表在近日出版的《自然》杂志上。

　　JILA由美国国家标准与技术研究所（NIST）和科罗拉多大学共同创建。

研究人员表示，新激光器基于强大的名为“相位阵列”的工程技术，源自大量相同天线的电磁波可同步发挥作用，以构建具有有益特性的组合波。

“超辐射”激光器原型将100万铷原子囚禁在两面反射镜之间的2厘米的空间内，原子将与其内部的振动同步“起舞”，从而放射出微弱的深红色激光光束。

普通激光依赖于数百万光子在两面反射镜间来回弹跳飞射，在激光材料内击打原子，生成自身的副本，构建出强光；随后，光子和同步波将从反射镜腔中泄出并形成激光束。

但这不会发生在新的JILA激光器上，因为光子不会在周围过长逗留。

在振荡的电场的作用下，原子会不断激发，并放射出同步的光子，在反射镜间徘徊。

几乎所有光子都会在被镜面干扰和破坏同步化的原子之前逃脱，因此可避免在一般激光器中发生的激光频率变动现象。

在实验中，科学家首先会囚禁位于镜面之间激光中的原子，随后使用其他低功率的激光调整比率，使原子在两个能量级之间往返。

每当降至较低的能量级时，原子将放射出光子。

一般情况下，原子每秒仅会放射一个光子，但它们的关联行为能使比率提升1万倍，生成光的“超辐射”。

　　这种“受激发射”也切合了激光的定义。

测量结果显示，激光束频率对于反射镜运动的敏感性可比普通的光学激光低一万分之一，这说明新方式或可将NIST目前最佳的激光器的性能提高1000倍，其也有望走出实验室，得到实际应用。

尽管这种“超辐射”激光的亮度十分黯淡，但它卓越的稳定性可使其成为“反馈系统”中的一部分，“锁住”正常的激光输出。

这种激光可被用于最先进的原子钟中，诱发超精确时钟所需的原子振荡，有效提升时钟的准确性。

研究人员表示，未来还将使用锶等不同类型的原子进行实验，以更好地配合高级原子钟的建造。

同样，这种改进还会延伸至全球定位系统、光学通信、大地测量和天文学等相关的技术之中。

“人脑计算机”12年内问世3D图像揭露脑秘密

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2012/4/1716:

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　　据英国每日邮报报道，人类大脑的运算能力可与任何机械装置相媲美竞争，目前，科学家正在致力建造一种“人脑计算机”，使其成为世界上最强大的计算机。

科学家希望建造一个“人脑计算机”，能够模拟整个人类大脑

　　人脑计算机将结合迄今揭示关于大脑神秘运行方式的所有信息，并将这些信息复制在屏幕上，表达出单个细胞和分子等级的信息。

如果人脑计算机研制成功，它将对于理解致命性神经学疾病具有革命性帮助，例如：

老年痴呆症和帕金森症，甚至能够揭晓人类大脑是如何思考和作出决定的。

　　这一研究项目是由瑞士的亨利-马克莱姆（HenryMarkram）教授负责，参与该项目的科学家来自欧洲，其中包括：

英国剑桥市韦尔科姆基金会桑格学院。

他们希望在12年内能完成人脑计算机的制造，马克莱姆说：

“大脑具有一定的复杂性，包含着数十亿个连通神经细胞，神经系统科学家很难真实理解它的工作方式。

但是模拟大脑工作却比较容易，从而可使科学家能够操控和测试大脑的任何特征。

”

　　人脑计算机将在德国杜塞尔多夫市建造，它能够环绕在一个半圆“座舱”呈像数千张3D图像，从而使科学家能够真实“飞越”不同大脑区域，并观测大脑区域之间是如何进行沟通的。

　　这项研究旨在结合全球范围内进行的所有神经科学研究，在神经科学研究领域平台，每年大约有6万份科学论文。

该项目现已获得欧联盟的资金，经最后审议欧联盟同意拨款10亿欧元（8.25亿英镑），下个月将公布该消息。

　　当完成建造人脑计算机系统，它将用于测试新型药物，可显著缩短人类临床应用许可的时间，并为应用于更多智能机器人和计算机铺平道路。

但期间存在着不可避免的问题，这项最新技术意味着先进的操控和具有创造力的计算机能够进行自我思考，德国媒体称从事该项目的研究人员是“科学怪人研究小组”。

　　但是马克莱姆教授说：

“如果这项技术得以成功，它将帮助每年20亿具有大脑损伤的患者。

这是人类的三大挑战之一，我们需要理解地球、太空和我们的大脑。

我们需要理解促进人类进化发展的神秘源泉。

”

　　在过去15年里，马克莱姆带领的研究小组煞费苦心地研究和操控大脑皮质柱（corticalcolumn）的计算机模拟，这是哺乳动物大脑组织最小的积木结构之一。

他们还使用计算机来模拟老鼠的大脑部分，但是人类大脑与此完全不同。

我们的大脑拥有1000亿个神经细胞，每个细胞类似于台式计算机，每秒进行着数十亿次“运算”。

　　然而发现一种有效的方法来驱动人脑计算机则是研究人员当前重大挑战之一，人脑计算机仍存在着大量的未知量，并有待于揭晓人类大脑的神秘面纱，人类大脑已进化数百万年，它被科学家普遍认为是终极前沿科学范畴。

　　与马克莱姆教授一起工作的理查德-沃克（RichardWalker）说：

“人类大脑消耗了少量能量，却能够持续运行90年，或者更长的时间。

当前我们无法维持迄今已建造最大的计算机系统，因此如果我们发现人类大脑是如何运行的，这将带来巨大的进步发展。

”

　　忧郁症、精神病和阿茨海默症等老年疾病所导致的大脑紊乱，影响着英国80万居民的正常生活，并且这一数字仍在增长。

近期，英国首相戴维-卡梅隆（DavidCameron）提供6600万英镑资金投资研究“国家危机”——痴呆症有效治疗方案。

科学家最新研制大脑芯片可帮助盲人恢复视力

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2012/4/916:

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　　据国外媒体报道，澳大利亚莫纳什大学莫纳什视觉中心最新研制一种计算机芯片，可以帮助盲人恢复视觉能力，它将植入大脑视觉皮层中，大脑视觉皮层位于头部后端负责控制视觉。

这个计算机芯片可与一副眼镜建立无线连接，该眼镜包含着一个微型摄影仪，以低分辨率黑白图像记录下所看到的事物。

澳大利亚科学家最新研制一种计算机芯片，可植入盲人患者恢复视力

　　来自图像的电子信息发送至计算机处理器，相应的程序可以转换这些数据成为大脑所能理解的信息，之后再发送这些信号至植入大脑的芯片。

大脑使用这些信号可以建立摄影仪所观测到的图像。

　　这些粗糙、低分辨率的图像目前并不是非常适合于人们进行阅读理解，但这项技术将逐渐完善。

当前一项重大挑战是如何为大脑中的芯片提供动力，由于需要处理的信息量非常大，这一过程需要大量的芯片运行动力，所用到的电极数量远超过人工耳蜗，一个人工耳蜗需要15个电极，而大脑视觉皮层需要植入600个电极。

　　这并不是唯一可以帮助盲人恢复视力的技术方式，美国加利福尼亚州第二视觉中心正在研制一种人造视网膜，能够将电极直接植入眼睛中。

欧洲大型强子对撞机创质子能量新记录—8Tev

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2012/4/916:

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2012年第一束稳定的质子

　　欧洲核子研究中心4月5日发表公报称，欧洲中部时间当天00时38分，大型强子对撞机值班组报告对撞机达到束流稳定运行模式，两束各为4万亿电子伏特的质子束流在4个交汇点发生对撞，质子束流总能量达8万亿电子伏特，创造了一项新世界记录，大幅增加了对撞机的潜力。

　　欧洲核子研究中心说，这标志着2012年大型强子对撞机正式启动运行，最大限度收集对撞数据。

　　该中心加速器及技术负责人史蒂夫·迈尔斯说，根据两年来每束质子束流最高能量3．5万亿电子伏特的运行经验，他们今年在不影响对撞机的情况下提高了能量。

虽然能量提高幅度不大，但成倍增加了发现某些粒子的可能，比如发现超对称粒子的机会大增。

　　欧洲核子研究中心公报说，质子束流总能量达8万亿电子伏特时，可能产生的希格斯玻色子数量将远大于总能量7万亿电子伏特的状态，但是背景噪声与希格斯玻色子信号混淆的可能性也随之增加。

因此，要确认或彻底排除希格斯玻色子的存在，还需要强子对撞机运行一整年。

　　希格斯玻色子是粒子物理标准模型预言的一种基本粒子，是粒子物理当前研究的重点，迄今为止还没有找到。

2011年12月，欧洲核子研究中心的两个小组宣布，从强子对撞机的数据中发现了希格斯玻色子存在的迹象。

一些科学家认为，寻找希格斯玻色子的范围已经大大缩小，今年可能取得成果。

　　强子对撞机今年3月开始运行，预计运行到年底后长时间停机维护。

2014年下半年重新启动，逐步将质子束流加速至7万亿电子伏特的最高设计能量。