大型强子对撞机

大型强子对撞机将质子加速对撞的高能物理设备01过程及目的研究历史技术原理设备结构运行状况工作流程目录030502040607创始人物科学实验经费支出研究课题技术改进建设意义目录0901108010012013获得荣誉科学研究模拟现象探索目录015014基本信息大型强子对撞机（LargeHadronCollider，LHC）是粒子物理科学家为了探索新的粒子，和微观量化粒子的‘新物理’机制设备，是一种将质子加速对撞的高能物理设备。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。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（含环形隧道）的隧道内。2008年9月10日，对撞机初次启动进行测试。2019年8月1日，大型强子对撞机（LHC）的下一代“继任者”——高亮度大型强子对撞机项目的升级工作正在进行，亮度将提升5到10倍。过程及目的过程及目的建造过程和探索微观粒子的目的CERN的大型强子对撞机大型强子对撞器

，英文名简称为LHC（LargeHadronCollider）是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERN的粒子加速器与对撞机，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″46.23;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。目前；对撞机已经发现了‘希格斯粒子希格斯玻色子的存在，升级后发现‘夸克奇异重子’五种夸克的‘味变’集合体存在，改造升级能量的加大还会‘探索发现’超对称粒子和希格斯耦合粒子与粒子的额外维相存在。设备结构设备结构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。研究历史研究历史1994年，大型强子对撞机的项目立项后，林恩·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**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。运行状况运行状况大型强子对撞机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。大约80个国家的7000名科学家和工程师参与了该项目。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。2022年4月，欧洲大型强子对撞机粒子加速器正加紧准备恢复科学研究。

技术原理技术原理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。工作流程工作流程两个对撞加速管中的质子，各具有的能量为7TeV（兆兆电子伏特），总撞击能量达14TeV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50MeV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26GeV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3.57GeV的反质子，减速到2GeV。最后超级质子同步加速器(SPS）可提升质子的能量到450GeV。LHC也可以用来加速对撞重离子，例如铅（Pb）离子可加速到1150TeV。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。

创始人物创始人物年轻时的林恩·埃文斯林恩·埃文斯(LynEvans)，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。研究课题研究课题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(PeterHiggs）便首次预言存在这种粒子，科学家多次通过这台机器观测到这种粒子。ATLAS和CMS实验将积极寻找这种难于捉摸的粒子存在迹象。科学实验科学实验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。技术改进分布计算升级计划技术改进升级计划大型强子对撞机有提议在十年内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1TeV，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，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。建设意义建设意义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。获得荣誉获得荣誉世界上最大的机器世界最大粒子对撞机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（cryogenicdistributionsystem）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99.9999