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  • 黑洞制造机器

    黑洞制造机器是指位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(英语:Large Hadron Collider,缩写:LHC),是世界上最大而且最强大的粒子加速器,2008年9月10日开始试运转,在2013年2月关闭进行维护和升级。预计将在2015年年初重新启动。

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    简介/黑洞制造机器 编辑

    位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机长达 27 公里。

位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机长达 27 公里。[1]

    黑洞制造机器(大型强子对撞机,简称LHC)是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织的对撞型粒子加速器,作为国际高能物理学研究之用。LHC已经建造完成,2008年9月10日开始试运转,并且成功地维持了两质子束在轨道中运行,成为世界上最大的粒子加速器设施。大型强子对撞机是一个国际合作计划,由全球85国中的多个大学与研究机构,逾8,000位物理学家合作兴建,经费一部份来自欧洲核子研究组织会员国提供的年度预算,以及参与实验的研究机构所提拨的资金。

    大型强子对撞机本预计于2008年10月21日开始进行低能量对撞实验。但2008年9月19日,大型强子对撞机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。依据欧洲核子研究组织的安全条例,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,因此必须延迟开始运作的时间。

    2009年11月23日,大型强子对撞机进行了在修复完成后的第一次试撞。

    建造历史/黑洞制造机器 编辑

    1998年开始建造,

    2008年9月10日开始试运转,并且成功地维持了两质子束在轨道中运行,成为世界上最大的粒子加速器设施。

    2008年10月21日开始进行低能量对撞实验。但2008年9月19日,大型强子对撞机第三与第四段之间用来冷却超导磁铁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。

    2009年11月23日,大型强子对撞机进行了在修复完成后的第一次试撞。

    2013 年 2 月关闭进行维护和升级。预计将在明2015年年初重新启动[2]

    设计/黑洞制造机器 编辑

    CERN大型强子对撞机位置图CERN大型强子对撞机位置图[3]

    LHC是在一个圆周为27公里的圆形隧道内,该隧道因当地地形的起伏而位于地下约50至150米之间。[2]这是先前大型电子正子对撞机所使用隧道的再利用。隧道本身直径三米,位于同一平面上,并贯穿瑞士法国边境,主要的部份大半位于法国。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。由于须维持前所未有高能量的粒子运行,加速管由超导磁铁所包覆,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,另有安装其他的二极偏向磁铁及四极聚焦磁铁

    两个对撞加速管中的质子,初步将以5TeV的能量对撞,总撞击能量达10 TeV之多。(设计目标为14 TeV)每个质子环绕整个储存环的时间为89微秒。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。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奈秒,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。

    在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。其中超环面仪器紧凑缈子线圈是通用型的粒子侦测器。其他三个(LHC底夸克侦测器(LHCb), 大型离子对撞机(ALICE)以及全截面弹性散射侦测器则是较小型的特殊目标侦测器。

    LHC也可以用来加速对撞重离子,例如离子因其荷质比(电荷和质量的比值)可加速到1150 TeV。

    由于LHC有着对工程技术上极端的挑战,安全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,而粒子束中的总能量也高达725Megajoule(MJ)。只需要10−7总粒子能量便可以使超导磁铁脱离超导态,而丢弃全部加速器中的粒子可相当于一个小型的爆炸。

    于2010年3月20日首度成功进行了粒子撞击实验,并创造了高达7TeV的庞大能量。

    研究主题/黑洞制造机器 编辑

    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?
      • 为何万有引力相对于其他作用力是如此地微弱?当重子的质量被更精确的测量时,标准模型是否仍然成立?
      • 自然界中粒子是否有相对应的超对称粒子存在着?详见阶层问题
      • 为何“物质”与“反物质”是不对称的?详见CP破坏
      • 有更高维度的空间(卡鲁扎-克莱因理论)存在吗?我们可以见到这启发弦论的现象吗?
      • 宇宙有96%的质能是目前天文学上无法观测到的暗物质暗能量,这些的组成到底是什么?
      • 为何重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
      • 在标准模型中有存在于预言之外的其他色夸克存在吗?
      • 在早期宇宙以及如今某些紧密而奇怪物体中存在的夸克-胶子等离子体的性质和属性是怎样的?这个问题会在大型粒子对撞机——ALice中研究

    重离子对撞机/黑洞制造机器 编辑

    [编辑]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,如每年一个月的短期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,目前主要的规划为铅离子的对撞实验。

    LHC升级计划/黑洞制造机器 编辑

    在CMS侦测器中希格斯玻色子衰变的模拟事例重建图。(event display)在CMS侦测器中希格斯玻色子衰变的模拟事例重建图。(event display)[4]

    有提议在十年内LHC需要提升一次硬件性能。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机的入射能量需增加到1 TeV,因此前置入射装置也需升级,特别是“超级质子同步加速器”的部份。

    2013 年 2 月关闭进行维护和升级。在 LHC 关闭期间,科学家和工程师们进行了大规模的基础设施优化,为它能以更高能量的运行做着准备工作。

    LHC 是由 27 公里长的环形超导磁体,它配置的许多加速结构能够增强粒子能量。作为升级的一部分,连接磁场的一万个超导连接器或者得到强化或者被替换。 

    安全顾虑/黑洞制造机器 编辑

     在美国RHIC开始实验之时,包括内部的研究者与其他外部的一些科学家,曾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一种,由上下奇三种夸克组成的奇异物质(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(详见虚真空

    RHIC与CERN都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:宇宙射线的能量比起LHC来要高出非常多数量级,太阳系星体从形成到现在这么多年下来,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,太阳、地球和月球也都没有因此被摧毁。

    然而,仍有一些人还是对LHC的安全性有疑虑:类似这样新的、未经测试过的实验,是没有办法完全保证上述的情况不会发生。约翰·尼尔森(John Nelson)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,对于霍金辐射是否正确,也有一些疑问。

    RHIC自2000年运行到现在,都没有产生可以摧毁地球的物质的迹象。

    建设意外与延迟/黑洞制造机器 编辑

    LHC的紧凑缈子线圈(CMS)侦测器LHC的紧凑缈子线圈(CMS)侦测器[5]

    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。费米实验室主任皮耶·奥登(Pier Oddone)说道:“在这个案例中,我们惊讶地发现到,一个简单的静力平衡被疏忽了。”这个错误存在原始的设计中,而且经过多年来数次的审核都没有发现。分析发现,为了缩小支撑架的粗细来达成束流管更佳的绝缘效果,却因此不足以支撑压力测试时,所施加的外力。详细的内容可见于费米实验室的对外说明,CERN也同意其内容。修复损坏的磁铁,并且补强八个同型的磁铁造成了LHC预计开始运行的时程,因此延迟到2007年11月。

    2008年9月19日,LHC第三与第四段之间,冷却超导磁铁用的液态氦发生了严重的泄漏,占总量约1/3的高达6吨液态氦泄漏到隧道中。目前据推测是由于费米实验室负责建造的超导体磁铁,在联接两个的连接总线(bus bar)焊接不良,在超导高电流的情况下产生了热量使得超导体脱离超导态,电流经过瞬间的高电阻形成了电弧打穿了冷却设备的液态氦储存槽所造成的。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,如此即使直接替换掉损坏的元件不进行补强作业,也还是正好遇上预定的年度岁修时程,因此要开始运作将至少可能延迟至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焊接点不良所造成的。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,依目前CERN于2008年12月5日公布的时程,LHC将于2009年夏天开始恢复运转。

    根据2009年4月30日CERN的最新公报,LHC最后的一段维修偏向磁铁完成放置回隧道当中,自2008年9月19日泄漏事件以来毁损的磁铁维修作业终于告一段落。接下来的工作,将专注于完成磁铁间的连结工作以及预防未来类似泄漏事件的加强监控与补强作业。在此次的维修作业中,LHC第三第四段间共有53个磁铁被替换掉。其中有16个损伤不大的磁铁,是以良品维修(refurbish)的方式来处理,而另外37个损坏较严重的部份,则是直接由备品替换。这些替换下来的磁铁,将在维修之后作为将来的备品料件使用。目前LHC管理部门所规划的时程,仍依照2009年2月9日CERN所公布的,将于九月底启动运转,并预计十月开始对撞实验。

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    参考资料
    [1]^引用日期:2014-10-14
    [2]^引用日期:2014-10-14
    [3]^引用日期:2014-10-14
    [4]^引用日期:2014-10-14
    [5]^引用日期:2014-10-14

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