| 词条 | 大型强子对撞机 |
| 释义 | § 简介 CERN的大型强子对撞机 大型强子对撞器（Large Hadron Collider，简称LHC）是一座欧洲核子研究组织CERN的对撞型粒子加速器，作为国际高能物理学研究之用，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，超过八千位物理学家合作兴建。 项目投资达39亿欧元(约合56亿美元)，位于日内瓦附近瑞士和法国交界地区地下100米深处、总长17英里(约合27公里)的环形隧道内，建造用以寻找暗物质、反物质等现象，最终揭开宇宙形成之谜。 大型强子对撞器于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。 § 设计原理 世界最大粒子对撞机 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。这是其之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 5 TeV（Tera Electron Volt, 兆电子伏特）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。 图释 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（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。 LHC也可以用来加速对撞 重离子，例如 铅（Pb）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（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，而丢弃全部加速器中的粒子可相当于一个小型的爆炸。 § 升级计划 硬件升级 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器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。 LHC@Home 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。 § 经费支出 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，用于超导磁铁的制造。另外，尚有在兴建放置CMS的地下洞穴时遇到的工程技术上的困难。预期的建造总额约为八十亿元美金。 § 科学实验 大型强子对撞机位于瑞士法国边境100米深的环形隧道 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。 1、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。 2、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。 3、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。[1] 大型离子对撞机实验 ALICE探测器 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。 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。 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 ATLAS是大型强子对撞机两个通用探测器中的一个超环面仪器实验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，包括寻找希伯斯玻色子、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。 紧凑渺子线圈实验 CMS实验利用的通用探测器 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，包括寻找希伯斯玻色子、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。 LHC底夸克探测器实验 LHC底夸克探测器 LHC底夸克探测器LHCb实验将有助于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。 全截面弹性散射探测器实验 全截面弹性散射探测器(TOTEM) 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。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。 LHCf探测器实验 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。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，这种实验会覆盖数千公里的范围。来自4个国家10所研究机构的22位科学家将参与LHCf实验。 § 显著特征 最大的机器大型强子对撞机隧道内的冷磁体 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。其中制冷系统也是世界最大的制冷机。 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99.99%。两束质子光束分别以7万亿电子伏特的最大功率相向而行，在功率达到14万亿电子伏特时发生碰撞。每秒总共能发生大约6亿次撞击。 最空的空间 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个大气压，比月球上的压力小10倍。 最大的温差 大型强子对撞机是一个极热和极冷的机器。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摄氏度(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。 最精确的探测 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。 最强大的计算机系统 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。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。 § 安全评估 电脑绘制的对撞机整体结构图 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。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。 宇宙射线 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。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 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。 参与ATLAS实验的科学家们 研究宇宙射线产生的微小黑洞结果显示，它们没有危害。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。宇宙射线与大型强子对撞机产生的粒子，如果带电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。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。关于奇异微子能否与普通物质结合，变成奇异物质，从2000年相对论重离子对撞机(RHIC)在美国第一次出现直到2011年，一直没有发现奇异微子。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 空中俯瞰欧洲核子研究中心 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。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。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。 报告和评估 研究粒子加速器内的高能撞击的安全性的实验，已经由欧洲和美国的物理学家实施，这些人没参与大型强子对撞机实验。科学界专家已经对他们的分析结果进行了评估，并赞成他们认为加速器内发生的粒子对撞不具有危险性的结论。欧洲粒子物理研究所已经委托一个由粒子物理学家组成的科研组，让他们监控有关大型强子对撞机碰撞的最新推测结果。这些物理学家也没参与大型强子对撞机实验。 § 重大影响 大型强子对撞机的冷却堆 大型强子对撞机的主要任务就是寻找到物质的质量的形成原理。或许不少人会认为，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生活。 如果能够揭示物质质量的形成原理，更多的物质奥秘就将揭开，比如，反物质的形成与合成，黑洞的形成与合成都将变得可能。寻找到反物质及其合成方法，将有可能解决能源危机问题，并且成为太空旅行和星际旅行的首选燃料。反物质拥有让人不敢相信的力量，仅仅一小的反物质其能量可以与几百万吨当量核弹相提并论。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，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。 § 建设意外与延迟 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。 [2][3] 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。[4]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。[5][6] 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，[7]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。[8] 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。[8][9] 根据2009年4月30日 CERN 的最新公报[10]，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[11]。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[12]。 |
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