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大型強子對撞機

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大型強子對撞器(Large Hadron Collider,簡稱LHC)由全球85個國家的多個大學與研究機構,超過八千位物理學家合作興建,位於瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心,於2008年9月10日開始試運轉。它是現在世界上最大、能量最高的粒子加速器,將為人類解開一系列的自然奧秘,如大到宇宙起源之謎,小到微觀粒子世界之謎。

1 大型強子對撞機 -簡介

大型強子對撞機CERN的大型強子對撞機

大型強子對撞器,(Large Hadron Collider,簡稱LHC),是一座歐洲核子研究組織CERN的對撞型粒子加速器,作為國際高能物理學研究之用,是一個國際合作計劃,由全球85國中的多個大學與研究機構,超過八千位物理學家合作興建。

大型強子對撞器於2008年9月10日開始試運轉,並且成功地維持了兩質子束在軌道中運行,成為世界上最大的粒子加速器設施。

2 大型強子對撞機 -設計原理

大型強子對撞機世界最大粒子對撞機

LHC是在一個圓周為27公里的圓形隧道內,該隧道因當地地形的起伏而位於地下約50至150米之間。這是其之前大型電子正子加速器(LEP)所使用隧道的再利用。隧道本身直徑三米,位於同一平面上,並貫穿瑞士與法國邊境,主要的部份大半位於法國。雖然隧道本身位於地底下,尚有許多地面設施如冷卻壓縮機,通風設備,控制電機設備,還有冷凍槽等等建構於其上。

加速器通道中,主要是放置兩個質子束管。由於須維持前所未有高能量的粒子運行,加速管由超導磁鐵所包覆,以液態氦來冷卻。管中的質子是以相反的方向,環繞著整個環型加速器運行。除此之外,在四個實驗碰撞點附近,另有安裝其他的二極偏向磁鐵及四極聚焦磁鐵。

兩個對撞加速管中的質子,初步將以 5 TeV(Tera Electron Volt, 兆電子伏特)的能量對撞,總撞擊能量達10 TeV之多。(設計目標為14 TeV)每個質子環繞整個儲存環的時間為89 微秒 。因為同步加速器的特性,加速管中的粒子是以粒子團(bunch)的形式,而非連續的粒子流。整個儲存環將會有2800個粒子團,最短碰撞周期為25納秒 。在加速器開始運作的初期,將會以軌道中放入較少的粒子團的方式運作,碰撞周期為 75 奈秒,再逐步提升到設計目標。

大型強子對撞機圖釋

在粒子入射到主加速環之前,會先經過一系列加速設施,逐級提升能量。其中,由兩個直線加速器所構成的質子同步加速器(PS)將產生50 MeV的能量,接著質子同步推進器(PSB)提升能量到1.4GeV。而質子同步加速環可達到26 GeV的能量。低能量入射環(LEIR)為一離子儲存與冷卻的裝置。反物質減速器(AD)可以將3.57 GeV的反質子,減速到2 GeV。最後超級質子同步加速器(SPS)可提升質子的能量到450 GeV。

在LHC加速環的四個碰撞點,分別設有五個偵測器在碰撞點的地穴中。其中超環面儀器(ATLAS)與緊湊渺子線圈(CMS)是通用型的粒子偵測器。其他三個(LHC底夸克偵測器(LHCb), 大型離子對撞器(ALICE)以及全截面彈性散射偵測器(TOTEM)則是較小型的特殊目標偵測器。

 

3 大型強子對撞機 -科學實驗

大型強子對撞機大型強子對撞機位於瑞士法國邊境100米深的環形隧道

利用大型強子對撞機(LHC)進行的6項實驗都將均在國際合作的模式下完成,這些實驗將世界各地的研究機構的科學家聚集在一起,共同見證激動人心的一刻。每一項實驗都截然不同,這是由其使用的粒子探測器的獨特性所決定的。 

1、兩項大規模實驗——ATLAS(超環面儀器實驗的英文縮寫,以下簡稱ATLAS)和CMS(緊湊渺子線圈實驗的英文縮寫,以下簡稱CMS)——均建立在多用途探測器基礎之上,用於分析在加速器中撞擊時產生的數量龐大的粒子。兩項實驗的研究規模和研究層面均達到前所未有的程度。使用兩個單獨設計的探測器是交叉確認任何新發現的關鍵所在。

2、兩項中型實驗——ALICE(大型離子對撞機實驗的英文縮寫,以下簡稱ALICE)和LHCb(LHC底夸克實驗的英文縮寫,以下簡稱LHCb)——利用特殊的探測器,分析與特殊現象有關的撞擊。

3、另外兩項實驗——TOTEM(全截面彈性散射偵測器實驗的英文縮寫,以下簡稱TOTEM)和LHCf(LHC前行粒子實驗的英文縮寫,以下簡稱LHCf)——的規模就要小得多。它們的焦點集中在「前行粒子」(質子或者重離子)身上。在粒子束髮生碰撞時,這些粒子只是擦肩而過,而不是正面相撞。ATLAS、CMS、ALICE和LHCb探測器安裝在4個地下巨洞,分佈在大型強子對撞機周圍。TOTEM實驗用到的探測器位於CMS探測器附近,LHCf實驗用到的探測器則位於ATLAS探測器附近。

對撞實驗

大型強子對撞機夸克-膠子等離子體-內部結構模型圖
為了進行大型離子對撞機實驗,大型強子對撞機將讓鉛離子進行對撞,在實驗室條件下重建「大爆炸」之後的宇宙初期形態。獲得的數據將允許物理學家研究夸克-膠子等離子體的性質和狀態,這種物質據信在「大爆炸」發生后只存在很短時間。大型強子對撞機內上演撞擊時產生的高溫是太陽內部溫度的10萬倍。物理學家希望看到的是,質子和中子會在這種高溫條件下「熔化」,並釋放被膠子束縛的夸克。這麼做將創造夸克-膠子等離子體,它們可能只存在於「大爆炸」之後,當時的宇宙仍處在極度高溫之下。科學家計劃在夸克-膠子等離子體膨脹和冷卻過程中對其進行研究,觀察它如何形成最終構成當前宇宙物質的粒子。


超環面儀器實驗

ATLAS是大型強子對撞機兩個通用探測器中的一個超環面儀器實驗ATLAS是大型強子對撞機兩個通用探測器中的一個。此項實驗涉及到物理學的很多領域,包括尋找希伯斯玻色子、額外維度以及構成暗物質的粒子。與CMS的實驗目的一樣,ATLAS也將記錄與撞擊時產生的粒子有關的類似數據,即它們的路徑、能量以及特性等等。雖然實驗目的相同,但ATLAS和CMS探測器的磁鐵系統卻採用了完全不同的技術和設計。ATLAS探測器巨大的圓環形磁鐵系統是它的主要特徵。這一系統由8個25米長的超導磁鐵線圈組成。磁鐵線圈分佈在貫穿探測器中心的粒子束管周圍,形成一個「圓筒」。實驗過程中,磁場將被包含在線圈分離出的中央柱形空間內。

緊湊渺子線圈實驗

CMS實驗利用的通用探測器CMS實驗利用的通用探測器

CMS實驗利用一個通用探測器,對物理學的很多領域進行研究,包括尋找希伯斯玻色子、額外維度以及構成暗物質的粒子。雖然實驗目的與ATLAS相同,但這個探測器的磁鐵系統卻採用了完全不同的技術和設計。 CMS探測器是在一個巨型螺管式磁鐵基礎上建成的。它採用圓柱形超導電纜線圈,可產生4特斯拉的磁場,相當於地球磁場的10萬倍。這個巨大磁場受一個「鐵軛」限制——探測器1.25萬公噸的重量大部分來自「鐵軛」。與大型強子對撞機的其它巨型探測器有所不同的是,CMS探測器並不是在地下建造,而是選在地上,後分成15個部分被運至地下,最後完成組裝,這也算得上它的一大特色。

LHC底夸克探測器實驗

大型強子對撞機三代夸克-內部結構模型圖
LHC底夸克探測器LHCb實驗將有助於理解人類為何生活在一個幾乎完全由物質而非反物質構成的宇宙。它通過研究一種稱為「美夸克」(beauty quark)的粒子,專門對物質和反物質之間的微妙差異展開調查。LHCb實驗不是將整個撞擊點同密封探測器圍起來,而是使用一系列子探測器去主要探測前行粒子(forward particle)。  第一個子探測器將安裝到撞擊點附近,而接下來的幾個將會一個挨一個安裝,它們的長度都超過20米。大型強子對撞機將創造出大量不同類型的夸克,然後它們將快速蛻變為其他類型。為捕捉到「美夸克」,LHCb項目小組已開發出先進的可移動跟蹤探測器,並安裝在圍繞於大型強子對撞機周圍的光束路徑附近。LHCb項目小組由來自13個國家48所研究機構的650位科學家組成。 


全截面彈性散射探測器實驗

全截面彈性散射探測器(TOTEM) 實驗研究前行粒子,以重點分析普通實驗難以獲得的物理學原理。在一系列研究中,它將測量質子大小,還將準確監控大型強子對撞機的光度。全截面彈性散射探測器就必須要捕捉到距大型強子對撞機光束非常近的距離產生的粒子。它由一組安放在稱為「羅馬罐」(Romanpot)的特製真空室的探測器組成。「羅馬罐」同大型強子對撞機的光束管道相連。8個「羅馬罐」將被一對一對地置於CMS實驗撞擊點附近的四個地點。儘管從科學意義上講這兩次實驗是獨立的,但TOTEM實驗將是CMS探測器和其他大型強子對撞機實驗所獲結果的有力補充。來自8個國家10所研究機構的50位科學家將參與TOTEM實驗。

LHCf探測器實驗

LHCf實驗將用於研究大型強子對撞機內部產生的前行粒子,作為在實驗室環境下模擬宇宙射線的來源。研究大型強子對撞機內部撞擊如何引起類似的粒子串有助於科學家解釋和校準大規模宇宙射線實驗,這種實驗會覆蓋數千公里的範圍。來自4個國家10所研究機構的22位科學家將參與LHCf實驗。

宇宙大爆炸實驗

藉助於大型強子對撞機, 歐洲核子研究組織的科學家讓兩組不同的粒子進行撞擊,試圖再現大爆炸后瞬間構成宇宙的「等離子湯」。在幾乎已確認發現希格斯玻色子之後,科學家正利用對撞機了解宇宙的演化。對撞實驗中,科學家藉助ALICE(大型離子撞擊實驗的英文縮寫)了解物質被加熱到相當於太陽中央溫度25萬時發生的現象,研究宇宙誕生之初形成的夸克-膠子等離子體。

4 大型強子對撞機 -主要特點

最大的機器

大型強子對撞機大型強子對撞機隧道內的冷磁體

大型強子對撞機的精確周長是2.6659萬米,內部總共有9300個磁體。其中製冷系統也是世界最大的制冷機。

最快的跑道

功率達到最大時,數萬億個質子將在大型強子對撞機周圍的加速器環內以每秒1.1245萬次的頻率急速穿行,它們的速度是光速的99.99%。兩束質子光束分別以7萬億電子伏特的最大功率相向而行,在功率達到14萬億電子伏特時發生碰撞。每秒總共能發生大約6億次撞擊。

最空的空間

為了避免加速器中的粒子束與空氣分子相撞,這些粒子束在像行星間的空間一樣空蕩的超真空環境中穿行。大型強子對撞機的內壓是10-13個大氣壓,比月球上的壓力小10倍。

最大的溫差

大型強子對撞機是一個極熱和極冷的機器。當兩束質子束相撞時,它們將在一個極小的空間內產生比太陽中心熱10萬倍的高溫。與之相比,促使超流體氦在加速器環周圍循環的製冷分配系統,讓大型強子對撞機保持在零下271.3攝氏度(1.9開氏度)的超低溫環境下,這個溫度比外太空的溫度還低。

最精確的探測

大型強子對撞機的探測器擁有先進的電子觸發系統,它測量粒子經過時所用時間的精確度,大約是十億分之一秒。這個觸發系統在確定粒子的位置時,精確度可達百萬分之一米。

最強大的計算機系統

記錄大型強子對撞機進行的每項大試驗的數據,每年大約足夠刻10億張雙面DVD光碟。據估計,大型強子對撞機的壽命是15年。分佈在世界各地的好幾萬台電腦將利用一種被稱作網格的分散式計算網(distributed computing network)實施研究工作。

5 大型強子對撞機 -安全性能

宇宙射線

跟其他粒子加速器一樣,大型強子對撞機在受控實驗室環境中重新再現了宇宙射線的自然現象,這使科學家能對宇宙射線進行更加詳細的研究。天文學家在宇宙中觀測到大量體積更大的天體,它們都受到宇宙射線轟擊。宇宙的運行情況,就如同像大型強子對撞機一樣的實驗每秒運行超過數百億次。任何危險結果的可能性與天文學家看到的現實相矛盾,因為至今恆星和星系仍然存在。

微型黑洞 天文學 上的黑洞 比大型強子對撞機能產生的任何東西的質量更重。據愛因斯坦的相對論 描述的重力性質,大型強子對撞機內不可能產生微小黑洞。
大型強子對撞機參與ATLAS實驗的科學家們

研究宇宙射線產生的微小黑洞結果顯示,它們沒有危害。在大型強子對撞機內的碰撞過程中產生的新粒子,一般比宇宙射線產生的粒子的運行速度更加緩慢。穩定的黑洞不是帶電,就是呈中性。宇宙射線與大型強子對撞機產生的粒子,如果帶電就能與普通物質結合,這個過程在粒子穿越地球時會停止。地球依然存在的事實,排除了宇宙射線或大型強子對撞機可產生帶電且危險的微小黑洞的可能性。宇宙射線與中子星或白矮星等天體相撞產生的黑洞可處於休眠狀態。地球等這種緻密體繼續存在的事實,排除了大型強子對撞機產生任何危險黑洞的可能性。 

奇異微子

大型強子對撞機白矮星-內部結構模型圖
奇異微子是針對一種假設的微小「奇異物質」產生的術語,奇異物質包含幾乎與奇異夸克數量一樣的粒子。關於奇異微子能否與普通物質結合,變成奇異物質,從2000年相對論重離子對撞機(RHIC)在美國第一次出現直到2011年,一直沒有發現奇異微子。大型強子對撞機的光束擁有的能量將比相對論重離子對撞機的光束擁有的能量更多,但像這種對撞機產生的高溫,很難讓奇異物質結合在一起。另外,夸克在大型強子對撞機中比在相對論重離子對撞機中更加微弱,這使它很難聚集奇異物質。因此在大型強子對撞機內產生奇異微子的可能性,比在相對論重離子對撞機內更小。這個結果已經證實奇異微子不會產生的論點。

真空泡沫

曾有推測認為,現在宇宙沒處在它最穩定的狀態,大型強子對撞機產生的微擾將能讓它進入更加穩定的狀態,這種狀態被稱作真空泡沫,在這種狀態下人類將不復存在。由於目前在肉眼可見的宇宙中的任何地方都沒產生這種真空泡沫,因此大型強子對撞機將不能產生這種物質。

磁單極子
大型強子對撞機磁單極子-內部結構模型圖

磁單極子是假設中帶單極性磁荷的粒子,每個只擁有北極或南極。一些純理論指出,如果它們確實存在,磁單極子將導致質子消失。這些理論還表示,這種磁單極子因為太重,根本無法在大型強子對撞機內產生。地球和其他天體繼續存在的事實,排除了能吞噬質子的危險磁單極子的重量足夠輕,可以在大型強子對撞機內產生的可能性。

6 大型強子對撞機 -用途影響

大型強子對撞機大型強子對撞機的冷卻堆

大型強子對撞機的主要任務就是尋找到物質的質量的形成原理。或許不少人會認為,像高能物理學領域高深的理論研究與我們的日常生活沒關係,花費數億美元有些不值得。

如果能夠揭示物質質量的形成原理,更多的物質奧秘就將揭開,比如,反物質的形成與合成,黑洞的形成與合成都將變得可能。尋找到反物質及其合成方法,將有可能解決能源危機問題,並且成為太空旅行和星際旅行的首選燃料。反物質擁有讓人不敢相信的力量,僅僅一小的反物質其能量可以與幾百萬噸當量核彈相提並論。將來有一天,不但人類可以乘坐反物質推動的飛船遨遊太空,家裡的電器使用的電能也將來自反物質發電廠。

在建造這個大型實驗裝置的過程中,科學家已經獲得了許多科研成果,已經改善了我們的生活。比如,常用的互聯網最初就是歐洲核子研究中心的科學家為了解決數據傳輸問題而發明的。另外,強子對撞機還將帶來一些意想不到的科研成果,譬如改進癌症治療、摧毀核廢料的方法以及幫助科學家研究氣候變化等。現有的放射療法可能會在殺死癌細胞的同時傷害周圍的健康組織,對撞機產生的高能粒子束能夠將這種傷害降到最低,因為它們能夠穿過健康組織,只對腫瘤發揮作用。一些氣象學家表示,如果發現高能粒子束促成了雲的形成,人們將來可以通過控制宇宙射線來改變氣候。 

7 大型強子對撞機 -發展升級

大型強子對撞機正負電子-內部結構模型圖

英國、俄羅斯、日本、瑞士和美國等國家科學家組成的國際研究團隊近期在慎重評估歐洲大型強子對撞機的實用性,並有意用一種新型對撞機來取代現有的大型強子對撞機。不過這種新型升級版本的對撞機現在已經存在,那就是大型正負電子對撞機(LEP),其更確切的名稱為「LEP3」。科學家們認為大型正負電子質子對撞機將可更好地應用於希格斯-玻色子的研究工作。

著名的大型強子對撞機本來就是用來研究亞原子粒子在高速碰撞時可能發生的事件。在瑞士地面之下的隧道內,歐洲粒子物理研究所的兩大實驗項目ATLAS和CMS已經取得了重大研究進展。近期全球報紙的頭版頭條都曾報道過大型強子對撞機的這兩項實驗發現了「類似希格斯」的粒子,大多數科學家都認為這種粒子應該就是捉摸不定的希格斯-玻色子,即所謂的「上帝粒子」。

事實上所有人都承認大型強子對撞機在未來十年左右肯定要進行升級,提高其能量和發光度。大型強子對撞機將更多地用於研究希格斯-玻色子。但是如果新的實驗設備(如LEP3)也可以發現更多的粒子,如超對稱粒子,那麼只用於研究希格斯-玻色子的項目則顯得毫無優勢可言。這就是為什麼又有人提出了「國際直線對撞機」和「緊湊直線對撞機」,不過這兩項計劃代價更高。

大型強子對撞機與「LEP3」的主要差異之一在於碰撞粒子的類型。大型強子對撞機是利用質子與質子的對撞,而「LEP3」則是電子與正電子的對撞。「LEP3」採用兩個加速環,而大型強子對撞機只採用一個。如果利用現有的基礎設施,「LEP3」最快將可能於10年內建成。如果有必要,甚至可以在一段時期內與大型強子對撞機並存。    

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