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  • 大型强子对撞机

    大型强子对撞机,英文名称为LHC(LargeHadronCollider),欧洲大型强子对撞机是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器,是一种将质子加速对撞的高能物理设备,大型强子对撞机坐落于日内瓦附近瑞士和法国的交界侏罗山地下100米深、总长17英里(含17英里)的环形隧道内。参与这一项目的研究人员表示,在短短3个月的实验过程中,他们已经探测到处于我们当前对物理学的了解——标准模型核心的所有粒子。2010年,参与大型强子对撞机(LHC)项目的科学家表示,他们可能已经“接近”希格斯玻色子。2015年4月5日,欧洲核子研究中心宣布,欧洲大型强子对撞机正式开启第二阶段运行,探索希格斯玻色子机制、暗物质、反物质、夸克胶子等离子体等更多未知科学领域。

    编辑摘要
    百科帮你涨姿势

    世界上最大能量最高的粒子加速器 制冷系统使用世界最大的制冷机

    测量时间精确度是十亿分之一秒 确定位置精确度达百万分之一米

    可把粒子加速到光速99.99% 每年试验数据足够刻10亿张双面DVD

    科学 +
    大型强子对撞机

    在欧洲核子中心大型强子对撞机的实验中,数据出现了一处神秘的异常,似乎暗示某种超越粒子物理学标准模型的新规律的存在。[详细]

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 欧洲大型强子对撞机 英文名: LHC(Large Hadron Collider
    简称: LHC 长度: 17英里(精确长度26659米)
    • 吴彦鹏设计原理需要增加一个图示,请懂行的网友协作

    目录

    建造过程/大型强子对撞机 编辑

    CERN的大型强子对撞机CERN的大型强子对撞机
    大型强子对撞器,英文名称为LHC(Large Hadron Collider)是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERN的粒子加速器对撞机,作为国际高能物理学研究之用。地理坐标为北纬46°14′00″,东经6°03′00″46.233333333333;6.05, LHC已经建造完成。

    大型强子对撞机将是世界上最大、能量最高的粒子加速器,来自大约80个国家的7000名科学家和工程师。由40个国家建造。是一种将质子加速对撞的高能物理设备。它是一个圆形加速器,深埋于地下100米,它的环状隧道有 27 公里长,坐落于在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心(又名欧洲粒子物理实验室),横跨法国和瑞士的边境。

    为了节省成本,物理学家们没有开凿一条昂贵的新隧道来容纳新的对撞机,而是决定拆掉原来安置在欧洲原子核研究中心的正负电子加速器,代之以建造大型强子对撞机所需要的5万吨设备。当两个质子束在环形隧道中沿着反方向运动的时候,强大的电场使它们的能量急剧增加。这些粒子每运行一圈,就会获得更多的能量。要保持如此高能量的质子束继续运行需要非常强大的磁场。这么强的磁场是由冷却到接近绝对零度的超导电磁体产生的。物理学家们最希望建造的是一个30公里长的机器,它能以至少5千亿电子伏的能量将电子和正电子一起粉碎。

    设备结构/大型强子对撞机 编辑

    LHC是一个国际合作的计划,由34个国家超过两千位物理学家所属的大学与实验室所共同出资合作兴建的。

    LHC包含了一个圆周为27公里的圆形隧道,因当地地形的缘故位于地下50至150米之间。这是先前大型电子正子加速器(LEP)所使用隧道的再利用,隧道本身直径三米,位于同一平面上,并贯穿瑞士与法国边境,主要的部分大半位于法国。虽然隧道本身位于地底下,尚有许多地面设施如冷却压缩机,通风设备,控制电机设备,还有冷冻槽等等建构于其上。

    加速器通道中,主要是放置两个质子束管。加速管由超导磁铁所包复,以液态氦来冷却。管中的质子是以相反的方向,环绕着整个环型加速器运行。除此之外,在四个实验碰撞点附近,另有安装其他的偏向磁铁及聚焦磁铁。

    LHC加速环的四个碰撞点,分别设有五个侦测器在碰撞点的地穴中。其中超环面仪器 (ATLAS)与紧凑渺子线圈(CMS)是通用型的粒子侦测器。其他三个(LHC底夸克侦测器(LHCb),大型离子对撞器(ALICE)以及全截面弹性散射侦测器(TOTEM)则是较小型的特殊目标侦测器。

    研究历史/大型强子对撞机 编辑

    1994年,大型强子对撞机项目立项后,埃文斯理所当然地就成为了这个耗资百亿美元的项目的负责人。对撞机从设计到建造,都由他全权负责。14年后,在瑞士和法国交界地区地下100米深处的周长为27公里的环形隧道里,埃文斯和全球80多个国家近万名科学家的心血结晶——大型强子对撞机正式建成。

    在2005年10月25日,因为起重机载货的意外掉落,造成一位技术人员的丧生。

    2007年3月27日,由费米实验室所负责建造,一个用于 LHC 内部的三极低温超导磁铁(属于聚焦用四极磁铁),因为支撑架的设计不良,在压力测试时发生破损。虽然没有造成人员的伤亡,但是却严重影响了 LHC 开始运作的时程。

    2008年6月15日,在埃文斯的退休仪式上,这6位主任纷纷亲自出面或通过视频向他致以敬意。他们还联合签署了一份文件,将大型强子对撞机以林恩·埃文斯的名字命名,并制作了一个对撞机偶极子的小模型赠送给埃文斯。

    2008年9月10日,对撞机初次启动进行测试。埃文斯将手指放在鼠标上,亲自点击启动了首次测试。这次测试是研究人员将一个质子束以顺时针方向注入到加速器中,让其加速到99.9998%光速的超快速度,从而使此质子束在全长27公里的环形隧道中以每秒11245圈的速度狂飙。这一幕通过网络视频向世界进行了直播,还有300多名记者来到此实验室目睹测试过程。

    2008年9月19日,LHC,第三与第四段之间,用来冷却超导磁铁的液态氦,发生了严重的泄漏。据推测是由于联接两个超导磁铁的接点接触不良,在超导高电流的情况下融毁所造成的。依据CERN的安全条例,必需将磁铁升回到室温后详细检查才能继续运转,这将需要三到四周的时间。要再冷却回运作温度,也是得经过三四周的时间,如此正好遇上预定的年度检修时程,因此要开始运作将可能延迟至2009年春天。

    2008年10月16日,CERN发布了关于液态氦泄漏事件的调查分析,证实了先前推测的为两超导磁铁间接点不良所造成的。由于安全条例确实地实行、安全设计皆有正常工作、并且替换用的零件都有库存,预期2009年6月重启。

    运行状况/大型强子对撞机 编辑

    大型强子对撞机大型强子对撞机

    2008年9月10日下午15:30正式开始运作,成为世界上最大的粒子加速器设施。

    2008年9月19日,(LHC第三与第四段之间,用来冷却超导磁铁的液态氦,发生了严重的泄漏)导致对撞机暂停运转。

    60余名中国科学家(其中近四十人为台湾科学家)参与强子对撞机实验。四个主要实验均有中国科研单位和高校参与,分别为:中科院高能物理研究所、中国科技大学、山东大学、南京大学参与ATLAS实验;中科院高能物理研究所、北京大学参与CMS实验;华中师范大学参与ALICE实验;清华大学参与LHCb实验。

    技术原理/大型强子对撞机 编辑

    电脑绘制的对撞机整体结构图电脑绘制的对撞机整体结构图

    大型强子对撞机(LHC)是欧洲粒子物理研究所(CERN)的加速器复合体的最新补充。

    在这个加速器里面,2束高能粒子流在彼此相撞之前,以接近光速的速度向前传播。这两束粒子流分别通过不同光束管,向相反方向传播,这两根管子都处于超高真空状态。一个强磁场促使它们围绕那个加速环运行,这个强磁场是利用超导电磁石获得的。这些超导电磁石是利用特殊电缆线制成的,它们在超导状态下进行操作,有效传导电流,没有电阻消耗或能量损失。要达到这种结果,大约需要将磁体冷却到零下271℃,这个温度比外太空的温度还低。由于这个原因,大部分加速器都与一个液态氦分流系统和其他设备相连,这个液态氦分流系统是用来冷却磁体的。

    大型强子对撞机利用数千个种类不同,型号各异的磁体,给该加速器周围的粒子束指引方向。这些磁体中包括15米长的1232双极磁体和392四极磁体,1232双极磁体被用来弯曲粒子束,392四极磁体每个都有5到7米长,它们被用来集中粒子流。在碰撞之前,大型强子对撞机利用另一种类型的磁体“挤压”粒子,让它们彼此靠的更近,以增加它们成功相撞的机会。这些粒子非常小,让它们相撞,就如同让从相距10公里的两地发射出来的两根针相撞一样。

    这个加速器、它的仪器和技术方面的基础设施的操作器,都安装在欧洲粒子物理研究所控制中心的同一座建筑内。在这里,大型强子对撞机内的粒子流将在加速器环周围的4个区域相撞,这4个区域与粒子探测器的位置相对应。

    工作流程/大型强子对撞机 编辑

    两个对撞加速管中的质子,各具有的能量为 7 TeV (兆兆电子伏特),总撞击能量达 14 TeV之谱。每个质子环绕整个储存环的时间为 89 微秒(microsecond)。因为同步加速器的特性,加速管中的粒子是以粒子团(bunch)的形式,而非连续的粒子流。整个储存环将会有2800个粒子团,最短碰撞周期为 25 纳秒(nanosecond)。在加速器开始运作的初期,将会以轨道中放入较少的粒子团的方式运作,碰撞周期为 75 纳秒,再逐步提升到设计目标。

    在粒子入射到主加速环之前,会先经过一系列加速设施,逐级提升能量。其中,由两个直线加速器所构成的质子同步加速器 (PS)将产生50 MeV的能量,接着质子同步推进器 (PSB)提升能量到1.4GeV。而质子同步加速环可达到26 GeV的能量。低能量入射环(LEIR)为一离子储存与冷却的装置。反物质减速器 (AD)可以将3.57 GeV的反质子,减速到2 GeV。最后超级质子同步加速器(SPS)可提升质子的能量到450 GeV。

    LHC也可以用来加速对撞重离子,例如铅(Pb)离子可加速到1150 TeV。由于LHC有着对工程技术上极端的挑战,安全上的确保是极其重要的。当LHC开始运作时,磁铁中的总能量高达100亿焦耳(GJ),而粒子束中的总能量也高达725百万焦耳(MJ)。只需要10?7总粒子能量便可以使超导磁铁脱离超导态,而丢弃全部的加速粒子可相当于一个小型的爆炸。

    创始人物/大型强子对撞机 编辑

    林恩·埃文斯(Lyn Evans),欧洲大型强子对撞机的领导者。是威尔士一位矿工的儿子,在阿布戴尔(Aberdare)中学时就对科学萌发了兴趣,获得了英国斯旺西大学的物理学博士学位。

    1969年,他花3个月时间访问了欧洲核子物理研究组织(CERN)项目。从此,他和妻子以及家人就定居在这里。65岁的威尔士人林恩·埃文斯大概可以算得上是这个世界上对“爆炸”最执着的人了。从小就爱用各种化学物质捣鼓点小爆炸的他,长大后又对宇宙大爆炸产生了兴趣。

    为了模拟宇宙大爆炸,解开宇宙之谜,他一手“策划”了堪称世界上最大科学实验的欧洲大型强子对撞机(LHC)项目。从设计,建造,到实验,埃文斯已经一路伴随这个项目走过了近16个年头。5个月前正式从欧洲核子研究中心(CERN)退休后,埃文斯渐渐放慢了工作节奏,但他依然没有离开LHC项目。尽管不再担任项目负责人,他在CMS(紧凑缪子线圈)实验小组中仍然担任着重要工作。

    研究课题/大型强子对撞机 编辑

    欧洲核子研究中心于2008年9月10日启动大型强子对撞机(LHC)。这个世界上最大的机器,有望揭开宇宙起源的奥秘在内五大谜团。

    过去几十年来,物理学家不断在细节上加深对构成宇宙的基本粒子及其交互作用的了解。了解的加深让粒子物理学的“标准模型”变得更为丰满,但这个模型中仍存在缝隙,以至于我们无法绘制一幅完整的图画。为了帮助科学家揭示粒子物理学上这些关键性的未解之谜,需要大量实验数据支持,大型强子对撞机便担负起“数据提供者”的角色,这也是非常重要的一个步骤。大型强子对撞机能够将两束质子加速到空前的能量状态而后发生相撞,此时的撞击可能带来意想不到的结果,绝对是任何人都无法想象的。

    牛顿未完成的工作——什么是质量?

    质量的起源是什么?为什么微小粒子拥有质量,而其它一些粒子却没有这种“待遇”?对于这些问题,科学家到现在也没有找到一个确切答案。最有可能的解释似乎可以在希格斯玻色子身上找到。希格斯玻色子是“标准模型”这一粒子物理学理论中最后一种尚未被发现的粒子,它的存在是整个“标准模型”的基石。早在1964年,苏格兰物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)便首次预言存在这种粒子,但迄今为止,

    科学家仍未见过它的庐山真面目。

    ATLAS和CMS实验将积极寻找这种难于捉摸的粒子存在迹象。

    一个“看不见”的问题——96%的宇宙由什么构成?

    我们在宇宙中看到的一切——从小蚂蚁到巨大的星系——都是由普通粒子构成的。这些粒子被统称为物质,它们构成了4%的宇宙。余下的部分据信由暗物质——不发光的物质和暗能量构成,它们对于整个宇宙的构成与运行有着极其重要的作用。对它们进行探测和研究的难度不可想象。研究暗物质和暗能量的性质是当今粒子物理学和宇宙学面临的最大挑战之一。

    ATLAS和CMS实验将寻找超级对称的粒子,用于验证一种与暗物质构成有关的假设。

    大自然的偏好——为什么找不到反物质?

    我们生活在一个由物质构成的世界,宇宙万物——包括我们人类在内都是由物质构成的。反物质就像物质的一个孪生兄弟,但它却携带相反电荷。在宇宙诞生时,“大爆炸”产生了相同数量的物质和反物质。然而,一旦这对孪生兄弟碰面,它们就会“同归于尽”,并最终转换成能量。不知何故,少量物质幸存下来,并形成我们现在生活的宇宙,而它的孪生兄弟反物质却几乎消失得无影无踪。为什么大自然不能一碗水端平,平等对待这对孪生兄弟呢?

    LHCb实验将寻找物质与反物质之间的差异,帮助解释大自然为何如此偏向。此前的实验已经观察到两者之间的些许不同,但迄今为止的研究发现还不足以解释宇宙中的物质和暗物质为何在数量上呈现出明显的不均衡。

    “大爆炸”的秘密——物质在宇宙诞生后的第一秒呈什么状态?

    构成宇宙万物的物质据信来源于一系列密集而炽热的基本粒子。现在宇宙中的普通物质由原子构成,原子拥有一个由质子和中子构成的核子,质子和中子都是被称之为“胶子”的其它粒子束缚夸克形成的。这种束缚非常强大,但在最初的宇宙,由于温度极高加之能量巨大,胶子很难将夸克结合在一起。也就是说,这种束缚似乎是在“大爆炸”发生后的最初几微秒内形成的,此时的宇宙拥有一个由夸克和胶子构成的非常炽热而密集的混合物,也就是所说的“夸克-胶子等离子体”。

    ALICE实验将利用大型强子对撞机模拟大爆炸发生后的原始宇宙形态,分析夸克-胶子等离子体的性质。

    隐藏的世界——空间的额外维度真的存在吗?

    根据爱因斯坦广义相对论,人类生存的三维空间加上时间轴即构成所谓四维时空。后来的理论认为,可能存在拥有隐藏维度的空间。弦理论便暗示额外的空间维度尚未被人类观察到,它们似乎会在高能条件下显现出来。基于这种推测,科学家将对所有探测器获得的数据进行仔细分析,以寻找额外维度存在迹象。

    物理学家希望借由加速器对撞机来帮助他们解答下列的问题:

    标准模型中所流行的造成基本粒子质量的希格斯机制是真实的吗?

    真是如此的话,希格斯粒子有多少种,质量又分别是多少呢?

    当重子的质量被更精确的测量时,标准模型是否仍然成立的?

    粒子是否有相对应的超对称(SUSY)粒子存在?

    为何物质与反物质是不对称的?

    有更高维度的空间(Kaluza-Kleintheory,extradimensions)存在吗?

    我们可以见到这启发弦论的现象吗?

    宇宙有96%的质量是天文学上无法观测到的,这些到底是什么?

    为何万有引力比起其他三个基本作用力(电磁力,强作用力,弱作用力)差了这么多个数量级?

    重离子对撞机

    虽然LHC的物理实验计划,着重于研究质子对撞后的现象。然而,短期的如每年一个月的重离子对撞也在实验计划之中。虽然其他较轻的离子对撞实验也是可行的,主要的规划为铅离子的对撞实验。

    科学实验/大型强子对撞机 编辑

    利用大型强子对撞机(LHC)进行的6项实验都将均在国际合作的模式下完成,这些实验将世界各地的研究机构的科学家聚集在一起,共同见证激动人心的一刻。每一项实验都截然不同,这是由其使用的粒子探测器的独特性所决定的。两项大规模实验——ATLAS(超环面仪器实验的英文缩写,以下简称ATLAS)和CMS(紧凑渺子线圈实验的英文缩写,以下简称CMS)——均建立在多用途探测器基础之上,用于分析在加速器中撞击时产生的数量庞大的粒子。两项实验的研究规模和研究层面均达到前所未有的程度。使用两个单独设计的探测器是交叉确认任何新发现的关键所在。

    两项中型实验——ALICE(大型离子对撞机实验的英文缩写,以下简称ALICE)和LHCb(LHC底夸克实验的英文缩写,以下简称LHCb)——利用特殊的探测器,分析与特殊现象有关的撞击。

    另外两项实验——TOTEM(全截面弹性散射侦测器实验的英文缩写,以下简称TOTEM)和LHCf(LHC前行粒子实验的英文缩写,以下简称LHCf)——的规模就要小得多。它们的焦点集中在“前行粒子”(质子或者重离子)身上。在粒子束发生碰撞时,这些粒子只是擦肩而过,而不是正面相撞。

    ATLAS、CMS、ALICE和LHCb探测器安装在4个地下巨洞,分布在大型强子对撞机周围。TOTEM实验用到的探测器位于CMS探测器附近,LHCf实验用到的探测器则位于ATLAS探测器附近。

    ATLAS是大型强子对撞机两个通用探测器之一ATLAS是大型强子对撞机两个通用探测器之一
    大型离子对撞机实验

    为了进行大型离子对撞机实验,大型强子对撞机将让铅离子进行对撞,在实验室条件下重建“大爆炸”之后的宇宙初期形态。获得的数据将允许物理学家研究夸克-胶子等离子体的性质和状态,这种物质据信在“大爆炸”发生后只存在很短时间。

    宇宙的所有普通物质都是由原子构成,每个原子拥有一个由质子和中子构成的核子,核子周围环绕着电子。质子和中子都是被称之为“胶子”的其它粒子束缚夸克形成的。这种不可思议的强大束缚意味着,独立的夸克是永远也不会被发现的。

    大型强子对撞机内上演撞击时产生的高温是太阳内部温度的10万倍。物理学家希望看到的是,质子和中子会在这种高温条件下“熔化”,并释放被胶子束缚的夸克。这么做将创造夸克-胶子等离子体,它们可能只存在于“大爆炸”之后,当时的宇宙仍处在极度高温之下。科学家计划在夸克-胶子等离子体膨胀和冷却过程中对其进行研究,观察它如何形成最终构成当前宇宙物质的粒子。

    共有来自28个国家的94个研究机构的1000多名科学家参与ALICE实验。

    ALICE探测器相关资料

    尺寸:长26米,高16米,宽16米

    重量:1万公吨

    位置:法国小镇圣吉利斯·珀利(StGenis-Pouilly)。

    ALICE探测器ALICE探测器
    超环面仪器实验

    超环面仪器实验ATLAS是大型强子对撞机两个通用探测器中的一个。此项实验涉及到物理学的很多领域,包括寻找希格斯玻色子、额外维度以及构成暗物质的粒子。与CMS的实验目的一样,ATLAS也将记录与撞击时产生的粒子有关的类似数据,即它们的路径、能量以及特性等等。虽然实验目的相同,但ATLAS和CMS探测器的磁铁系统却采用了完全不同的技术和设计。

    ATLAS探测器巨大的圆环形磁铁系统是它的主要特征。这一系统由8个25米长的超导磁铁线圈组成。磁铁线圈分布在贯穿探测器中心的粒子束管周围,形成一个“圆筒”。实验过程中,磁场将被包含在线圈分离出的中央柱形空间内。

    共有来自37个国家的159个研究机构的1700多名科学家参与ATLAS实验。

    ATLAS探测器相关资料

    尺寸:长46米,高25米,宽25米,是迄今为止制造的个头最大的粒子探测器。

    重量:7000公吨

    位置:瑞士梅林(Meyrin)

    紧凑渺子线圈实验

    CMS实验利用一个通用探测器,对物理学的很多领域进行研究,包括寻找希格斯玻色子、额外维度以及构成暗物质的粒子。虽然实验目的与ATLAS相同,但这个探测器的磁铁系统却采用了完全不同的技术和设计。

    CMS探测器是在一个巨型螺管式磁铁基础上建成的。它采用圆柱形超导电缆线圈,可产生4特斯拉的磁场,相当于地球磁场的10万倍。这个巨大磁场受一个“铁轭”限制——探测器1.25万公吨的重量大部分来自“铁轭”。与大型强子对撞机的其它巨型探测器有所不同的是,CMS探测器并不是在地下建造,而是选在地上,后分成15个部分被运至地下,最后完成组装,这也算得上它的一大特色。

    共有来自37个国家的155个研究机构的2000多名科学家参与CMS实验。

    CMS探测器相关资料

    尺寸:长21米,宽15米,高15米

    重量:1.25万公吨

    位置:法国塞希(Cessy)。

    LHC底夸克探测器LHC底夸克探测器
    LHC底夸克探测器(LHCb)

    LHCb实验将有助于我们理解人类为何生活在一个几乎完全由物质而非反物质构成的宇宙。它通过研究一种称为“美夸克”(beauty quark)的粒子,专门对物质和反物质之间的微妙差异展开调查。LHCb实验不是将整个撞击点同密封探测器围起来,而是使用一系列子探测器去主要探测前行粒子(forward particle)。第一个子探测器将安装到撞击点附近,而接下来的几个将会一个挨一个安装,它们的长度都超过20米。大型强子对撞机将创造出大量不同类型的夸克,然后它们将快速蜕变为其他类型。为捕捉到“美夸克”,LHCb项目小组已开发出先进的可移动跟踪探测器,并安装在围绕于大型强子对撞机周围的光束路径附近。LHCb项目小组由来自13个国家48所研究机构的650位科学家组成。

    LHC底夸克探测器相关资料

    尺寸:长21米,高10米,宽13米

    重量:5600吨

    设计:具有平面探测器的前向接受谱仪

    地点:法国费尔奈-伏尔泰

    全截面弹性散射探测器

    全截面弹性散射探测器实验研究前行粒子,以重点分析普通实验难以获得的物理学原理。在一系列研究中,它将测量质子大小,还将准确监控大型强子对撞机的光度。想要做到这一点,全截面弹性散射探测器就必须要捕捉到距大型强子对撞机光束非常近的距离产生的粒子。它由一组安放在称为“罗马罐”(Romanpot)的特制真空室的探测器组成。

    “罗马罐”同大型强子对撞机的光束管道相连。8个“罗马罐”将被一对一对地置于CMS实验撞击点附近的四个地点。尽管从科学意义上讲这两次实验是独立的,但TOTEM实验将是CMS探测器和其他大型强子对撞机实验所获结果的有力补充。来自8个国家10所研究机构的50位科学家将参与TOTEM实验。

    全截面弹性散射探测器相关资料

    尺寸:长440米,高5米,宽5米

    重量:20吨

    设计:“罗马罐”,GEM探测器和阴极条感应室

    地点:法国塞斯(位于CMS附近)

    LHCf探测器

    LHCf实验将用于研究大型强子对撞机内部产生的前行粒子,作为在实验室环境下模拟宇宙射线的来源。宇宙射线是自然产生于外太空的带电粒子,不断轰击地球大气层。它们在高层大气与核子相撞,产生一连串到达地面的粒子。研究大型强子对撞机内部撞击如何引起类似的粒子串有助于科学家

    解释和校准大规模宇宙射线实验,这种实验会复盖数千公里的范围。来自4个国家10所研究机构的22位科学家将参与LHCf实验。

    LHCf探测器相关资料

    尺寸:两个探测器,每个长30厘米,高80厘米,宽13厘米

    重量:每个重40公斤

    地点:瑞士梅林(位于ATLAS附近)

    粒子对撞实验

    2015年3月26日,据国外媒体报道,在中断了两年之后,大型强子对撞机终于准备再次启动,进行能量更强的粒子对撞实验。该实验本应于本周开始,然而由于上周六刚刚发现的一起短路故障,这一计划不得不向后推迟。

    技术改进/大型强子对撞机 编辑

    升级计划

    有提议在十年内LHC需要作一个硬件性能的提升。

    认为LHC需要作基本上硬件的修改以提升它的亮度(单位截面碰撞发生的频率)。理想中LHC升级的途径将是包含增加粒子束的流量,以及修改两个需要高亮度的区域:ATLAS与CMS这两个侦测器来配合。下一代超大型强子对撞器的入射能量需增加到1 TeV,因此前置入射装置也需作一个升级的动作,特别是在于超级质子同步加速器的部分。

    分布计算

    LHC@Home是一个分布式计算的计划,用来支持LHC兴建与校正之用。这个计划是使用BOINC平台,来模拟粒子如何在加速器隧道中运行。有了这项资讯,科学家便可以决定如何放置磁铁与调整功率,来达到加速轨道运行的稳定。安全考量在美国RHIC开始实验之时,同时包含内部的研究者与其他外部的科学家,都有担心类似的实验可能会引发理论上的一些灾难,甚至摧毁地球或是整个宇宙:创造出一个稳定的黑洞;创造出比一般物质更稳定的奇异物质(构成假说中的奇异星的物质)吸收掉所有一般物质;创造出磁单极促成质子衰变造成量子力学真空态的相变到另一个未知的相态。RHIC与CERN都有进行了一些研究调查,检视是否有可能产生例如微黑洞,微小的奇异物质(奇异微子)或是磁单极等危险的事件。这份报告认为“我们找不到任何可以证实的危害”例如,除非某个未经证实的理论是对的,否则是不可能产生出微小黑洞的。即使真的有微黑洞产生了,预期会透过霍金辐射的机制,很快就会蒸发消失,所以会是无害的。而认为即使像LHC这样高能量的加速器的安全性,最有力的论点在于一个简单的事实:宇宙射线的能量是比起LHC来要高出非常多数量级的,太阳系星体从形成这么多年下来,都不断地被宇宙射线轰击。既没有产生出微黑洞,微小的奇异物质或是磁单极来,太阳、地球和月球也都没有因此而被摧毁。然而,仍有一些人还是对LHC的安全性有疑虑:像是这一个有着许多新的,未经测试过的实验,是没有办法完全保证说上述的情况不会发生。JohnNelson在伯明翰大学谈到RHIC说“这是非常不可能会有危害的-但是我无法百分之百保证。”另外在学术界,对于霍金辐射是否是正确的,也是有一些疑问。RHIC自2000年运作后,都没有有产生可以摧毁地球的物质的迹象。

    经费支出/大型强子对撞机 编辑

    LHC

    的建造经费最初是1995年通过的一笔26亿瑞朗,另有一笔两亿一千万元瑞朗的经费作为实验之用。然而,经费超支。在2001年的一次主要审核预期,将需增加四亿八千万元瑞朗在加速器的建造,与五千万元瑞朗的支出在实验运作上。同时,由于CERN年度预算的缩减,LHC的完工日期由2005年延后到2007年四月,以使用更多年度预算来支付。其中增加的一亿八千万元瑞朗,在于超导磁铁的制造上。另外,尚有在兴建放置CMS的地下洞穴时,遭遇到工程技术上的困难。预期的建造总额约为八十亿元美金。

    建设意义/大型强子对撞机 编辑

    大型强子对撞机将两束质子分别加速到14TeV(14万亿电子伏特)的极高能量状态,并使之对撞。其能量状态可与宇宙大爆炸后不久的状态相比。粒子物理学家将利用质子碰撞后的产物探索物理现象,例如,寻找标准模型预言的希格斯粒子、探索超对称、额外维等超出标准模型的新物理。

    或许有人会认为,像高能物理学领域高深的理论研究与我们的日常生活没关系,花费数十亿美元有些不值得。100多年前,爱因斯坦发现了质能方程,那就是质量与能量可以互相转化。许多人也认为这个方程毫无用处。但是,以这种理论指导而研制出来的原子弹,让人们见识了高能物理的可怕之处。随后,核能用于发电,又让人们认识到质能方程真正改善了我们的生活。

    LHC可以使人类的科学技术迈进一大步。例如,反物质的形成与合成将变得可能。寻找到反物质及其合成方法,将有可能解决我们的能源危机问题,并且成为太空旅行和星际旅行的首选燃料。反物质拥有难以置信的力量,仅仅是少量的反物质,其与物质湮灭所产生的能量就可以与几百万吨当量的核弹相提并论。(物质与反物质的湮灭质能转化率为100%,是核弹的几十倍。)将来有一天,不但人类可以乘坐反物质推动的飞船遨游太空,家里的电器使用的电能也将来自反物质发电厂。

    此外,在建造这个大型实验装置的过程中,科学家已经获得了许多科研成果,已经改善了我们的生活。比如,我们今天常用的互联网最初就是欧洲核子研究中心的科学家为了解决数据传输问题而发明的。另外,强子对撞机还将带来一些意想不到的科研成果,譬如改进癌症治疗、摧毁核废料的方法以及帮助科学家研究气候变化等。现有的放射疗法可能会在杀死癌细胞的同时伤害周围的健康组织,对撞机产生的高能粒子束能够将这种伤害降到最低,因为它们能够穿过健康组织,只对肿瘤发挥作用。一些气象学家表示,如果发现高能粒子束促成了云的形成,人们将来可以通过控制宇宙射线来改变气候。

    获得荣誉/大型强子对撞机 编辑

    世界最大粒子对撞机世界最大粒子对撞机

    世界上最大的机器

    大型强子对撞机的精确周长是2.6659万米,内部总共有9300个磁体。大型强子对撞机不仅是世界上最大的粒子加速器,而且仅它的制冷分配系统(cryogenic distribution system)的八分之一,就称得上是世界上最大的制冷机。制冷分配系统在充满近60吨液态氦,将所有磁体都冷却到零下271.3℃(1.9开氏度)前,它将先利用1.008万吨液态氮将这些磁体的温度降低到零下193.2℃。

    世界上最快的跑道

    功率达到最大时,数万亿个质子将在大型强子对撞机周围的加速器环内以每秒1.1245万次的频率急速穿行,它们的速度是光速的99.9999991%。两束质子束分别以70000亿电子伏特的最大功率相向而行,在功率达到140000亿电子伏特时发生碰撞。每秒总共能发生大约6亿次撞击。

    太阳系中最空的空间

    大型强子对撞机隧道内的冷磁体大型强子对撞机隧道内的冷磁体

    为了避免加速器中的粒子束与空气分子相撞

    ,这些粒子束在像行星间的空间一样空荡的超真空环境中穿行。大型强子对撞机的内压是10^(-13)(10的负13次方)个大气压,比月球上的压力小10倍。

    银河系最热点

    大型强子对撞机是一个极热和极冷并存的机器。当两束质子束相撞时,它们将在一个极小的空间内产生比太阳中心热10万倍的高温。与之相比,促使超流体氦在加速器环周围循环的制冷分配系统,让大型强子对撞机保持在零下271.3℃(1.9开氏度)的超低温环境下,这个温度比外太空的温度还低。

    史上最先进的探测器

    进行安装时电脑中心的场景进行安装时电脑中心的场景

    为了抽样检查和记录每秒多达6亿次的质子相撞结果,物理学家和工程师已经制造了测量粒子的精确度是微米的庞大仪器。大型强子对撞机的探测器拥有先进的电子触发系统,它测量粒子经过时所用时间的精确度,大约是十亿分之一秒。这个触发系统在确定粒子的位置时,精确度可达百万分之一米。这种令人难以置信的快速和精确反应,是确保一个探测器连续层内记录的粒子保持一致的基础。

    世界最强大计算机系统

    记录大型强子对撞机进行的每项大试验的数据,每年大约足够刻10亿张双面DVD光盘。据估计,大型强子对撞机的寿命是15年。为了让世界各地的数千名科学家在未来15年内通力合作,分析这些数据,分布在世界各地的好几万台电脑将利用一种被称作网格的分散式计算网(distributed computing network)实施研究工作。

    世界各地的数千名科学家都希望了解并分析这些数据。为了解决这个问题,目前欧洲粒子物理研究所(CERN)正在建一个分散的计算和数据储存设施——大型强子对撞机计算网格(LCG)。大型强子对撞机实验产生的数据,将通过欧洲粒子物理研究所记录在磁带进行原始文件备份后,再分发到世界各地。经过初始加工,这种数据将被传送到可为大量数据提供充足储存空间的一系列大型计算机中心,这些计算机中心一天二十四小时不停地为大型强子对撞机计算网格提供服务。

    中国台湾也参与其中,负责其中两项重要系统的研发,并处理庞大实验数据。亚洲唯一的电脑中心就设在台湾的中研院。这次台湾约有40名科学家参与这项国际实验,负责世界上最大与最重的侦测器研发,而且处理庞大实验数据所倚赖的「网格电脑」就设在台湾的中研院。

    经过这些计算机中心的处理,其他设备就可使用这些数据了,其他的设备每个都有一个或几个实施特殊分析任务的联合计算机中心组成。当个科学家可通过大学部门的局域网或个人电脑了解这些设备,这些人可能会经常查看大型强子对撞机计算网格。

    模拟现象/大型强子对撞机 编辑

    大型强子对撞机大型强子对撞机

    大型强子对撞机(LHC)产生的能量是其他粒子加速器以前都无法达到的,但是自然界中的宇宙光相撞产生了更高的能量。多年来,这种高能粒子相撞产生的能量的安全性问题,一直备受关注。据新实验数据和对相关理论的新认识显示,大型强子对撞机安全评估团(LSAG)已经重新校正了该团在2003年做出的一份调查分析。这个安全评估团由中立派科学家组成。

    2003年,有关报告称大型强子对撞机碰撞不存在风险,因此没理由对安全问题过多关注。现在大型强子对撞机安全评估团对这些结论进行了重新审定和补充。不管大型强子对撞机将要做什么,自然界在地球和其他天体的一生中,已经这样做了很多次。欧洲粒子物理研究所科学政策委员会(CERN's Scientific Policy Committee)已经重新审查了大型强子对撞机安全评估团的报告,并对该团的观点表示赞成。欧洲粒子物理研究所科学政策委员会是由为欧洲粒子物理研究所的主管团体——董事会提建议的院外科学家组成。欧洲粒子物理研究所总结出的主要论据,可支持大型强子对撞机安全评估团的论文观点。任何对更多细节感兴趣的人,都被鼓励直接商讨这个问题和它涉及的技术科学论文。

    宇宙射线

    寻找希格斯玻色子寻找希格斯玻色子

    跟其他粒子加速器一样,大型强子对撞机在受控实验室环境中重新再现了宇宙射线的自然现象,这使科学家能对宇宙射线进行更加详细的研究。宇宙射线是外层空间产生的粒子,其中一些粒子通过加速,产生的能量远远超过了大型强子对撞机产生的能量。在大约70年的实验中,宇宙射线传播到地球大气层的能量及速度都已经被监测到。在过去的数十亿年间,地球上的自然界内发生的粒子撞击次数,已经相当于大约100万次大型强子对撞机实验,可是至今地球仍然存在。天文学家在宇宙中观测到大量体积更大的天体,它们都受到宇宙射线轰击。宇宙的运行情况,就如同像大型强子对撞机一样的实验每秒运行超过数百亿次。任何危险结果的可能性与天文学家看到的现实相矛盾,因为至今恒星和星系仍然存在。

    微型黑洞

    当比我们的太阳更大的特定恒星在生命最后阶段发生爆炸时,自然界就会形成黑洞。它们将大量物质浓缩在非常小的空间内。假设在大型强子对撞机内的质子相撞产生粒子的过程中,形成了微小黑洞,每个质子拥有的能量可跟一只飞行中的蚊子相当。天文学上的黑洞比大型强子对撞机能产生的任何东西的质量更重。据爱因斯坦的相对论描述的重力性质,大型强子对撞机内不可能产生微小黑洞。然而一些纯理论预言大型强子对撞机能产生这种粒子产品。所有这些理论都预测大型强子对撞机产生的此类粒子会立刻分解。因此它产生的黑洞将没时间浓缩物质,产生肉眼可见的结果。

    虽然稳定的微小黑洞理论站不住脚,但是研究宇宙射线产生的微小黑洞结果显示,它们没有危害。大型强子对撞机内发生的撞击,与地球等天体和宇宙射线发生碰撞不同,在大型强子对撞机内的碰撞过程中产生的新粒子,一般比宇宙射线产生的粒子的运行速度更加缓慢。稳定的黑洞不是带电,就是呈中性。不管是宇宙射线产生的粒子,还是大型强子对撞机产生的粒子,如果它们带电,它们就能与普通物质结合,这个过程在粒子穿越地球时会停止。地球依然存在的事实,排除了宇宙射线或大型强子对撞机可产生带电且危险的微小黑洞的可能性。如果稳定的微小黑洞不带电,它们与地球之间的互动将非常微弱。宇宙射线产生的那些黑洞可以在不对地球造成任何危害的情况下穿过它,进入太空,因此由大型强子对撞机产生的那些黑洞也可继续停留在地球上。然而,宇宙中有比地球更大更密集的天体。宇宙射线与中子星或白矮星等天体相撞产生的黑洞可处于休眠状态。地球等这种致密体继续存在的事实,排除了大型强子对撞机产生任何危险黑洞的可能性。

    奇异微子

    奇异微子是针对一种假设的微小“奇异物质”产生的术语,奇异物质包含几乎与奇异夸克数量一样的粒子。根据理论成分最高的研究显示,奇异微子在一百万分之一千秒内,能转变成普通物质。但是奇异微子能否与普通物质结合,变成奇异物质?2000年相对论重离子对撞机(RHIC)在美国第一次出现时,人们提出了这个问题。当时的一项研究显示,人们没有理由关注这个问题,现在相对论重离子对撞机已经运行8年,它一直在寻找奇异微子,但是至今仍一无所获。有时大型强子对撞机就像相对论重离子对撞机一样,需要通过重核子束运转。大型强子对撞机的光束拥有的能量将比相对论重离子对撞机的光束拥有的能量更多,但是这种情况使奇异微子形成的可能性更小。就像冰不能在热水中形成一样,像这种对撞机产生的高温,很难让奇异物质结合在一起。另外,夸克在大型强子对撞机中比在相对论重离子对撞机中更加微弱,这使它很难聚集奇异物质。因此在大型强子对撞机内产生奇异微子的可能性,比在相对论重离子对撞机内更小。这个结果已经证实奇异微子不会产生的论点。

    真空泡沫

    曾有推测认为,现在宇宙没处在它最稳定的状态,大型强子对撞机产生的微扰将能让它进入更加稳定的状态,这种状态被称作真空泡沫,在这种状态下人类将不复存在。如果大型强子对撞机确实能做到这些,难道宇宙射线碰撞就无法达到这种效果吗?由于目前在肉眼可见的宇宙中的任何地方都没产生这种真空泡沫,因此大型强子对撞机将不能产生这种物质。

    磁单极子

    磁单极子是假设中带单极性磁荷的粒子,每个只拥有北极或南极。一些纯理论指出,如果它们确实存在,磁单极子将导致质子消失。这些理论还表示,这种磁单极子因为太重,根本无法在大型强子对撞机内产生。然而,如果磁单极子的重量足以在大型强子对撞机内出现,宇宙射线撞击地球大气层早就该产生这种物质了,如果它们确实存在,地球能非常有效地阻止并捕获它们,现在人们应该已经发现它们。地球和其他天体继续存在的事实,排除了能吞噬质子的危险磁单极子的重量足够轻,可以在大型强子对撞机内产生的可能性。

    模拟爆炸

    2010年11月8日,科学家们开始利用位于瑞士和法国边境的欧洲大型强子对撞机制造小型 “宇宙大爆炸”,模拟近140亿年前宇宙形成的瞬间过程。

    这是该机器第一次使用铅离子进行对撞,以往实验均使用质子。铅离子和质子统称“强子”,但前者比后者更大、更重。8日开始的实验取名为“爱丽丝”(ALICE),是“大强子对撞实验”的英文缩写。实验第一阶段任务将于今年12月完成。

    在全长约27公里的环形轨道内部,两束铅离子束流朝着相反的方向前进,它们每运行一圈,就会获得更多的能量,速度也随之增加。对撞瞬间产生的高温相当于太阳核心温度的10万倍,即10万亿度。据信这个温度就是137亿年前宇宙大爆炸刚刚发生后百万分之几秒内的温度。在这一温度下将产生“夸克—胶子等离子体”。现有物理学理论认为,宇宙诞生后的百万分之几秒内,宇宙中曾存在过一种被称为“夸克—胶子等离子体”的物质。科学家们希望通过迷你“宇宙大爆炸”实验,解开宇宙形成之谜。

    中国研发/大型强子对撞机 编辑

    2014年7月,中国北京高能物理研究所正在筹备一个两倍于LHC的环形粒子对撞机。

    中国将要修建的对撞机周长达到了52公里,对撞能量高达70 TeV。按计划,中国的对撞机将在初期阶段只针对电子,且对撞能量仅有能量240 GeV,而后期则逐渐开足马力进行质子对撞。

    预计中国的对撞机将在2028年投入使用,耗资30亿美元,目前尚不清楚这是否是一个与国外同行携手进行的联合项目。

    2016年,中国科学技术大学牵头承担的大科学装置前沿研究重点专项项目“大型强子对撞机(LHC)实验探测器升级”启动实施。项目成立了由9位专家组成的项目专家组,设立了包含科研和财务秘书以及各课题联络人等在内的项目管理办公室。[1]

    相关文献

    参考资料
    [1]^引用日期:2016-11-25

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