大型強(qiáng)子對撞器

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1、大型強(qiáng)子對撞器（LargeHadronCollider，簡稱LHC）是一座位于瑞士日內(nèi)瓦近郊?xì)W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(xué)研究之用。LHC已經(jīng)建造完成，2008年9月10日開始試運(yùn)轉(zhuǎn)，并且成功地維持了兩質(zhì)子束在軌道中運(yùn)行，成為世界上最大的粒子加速器設(shè)施。LHC是一個國際合作計劃，由全球85國中的多個大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)，超過八千位物理學(xué)家合作興建。LHC本預(yù)計于2008年10月21日開始進(jìn)行低能量對撞實(shí)驗(yàn)。但2008年9月19日，LHC第三與第四段之間用來冷卻超導(dǎo)磁鐵的液態(tài)氦

2、發(fā)生了嚴(yán)重的泄漏，據(jù)推測是由于聯(lián)接兩個超導(dǎo)磁鐵的接點(diǎn)接觸不良，在超導(dǎo)高電流的情況下融毀所造成的。依據(jù)CERN的安全條例，必需將磁鐵升回到室溫后詳細(xì)檢查才能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，這將需要三到四周的時間。要再冷卻回運(yùn)作溫度，也是得經(jīng)過三四周的時間，如此正好遇上預(yù)定的年度檢修時程，因此必須延遲開始運(yùn)作的時間。2009年11月23日，LHC進(jìn)行了在修復(fù)完成后的第一次試撞?！驹O(shè)計】LHC是在一個圓周為27公里的圓形隧道內(nèi)，該隧道因當(dāng)?shù)氐匦蔚钠鸱挥诘叵录s50至150米之間。這是先前大型電子正子加速器（LEP）所使用隧道的

3、再利用。隧道本身直徑三米，位于同一平面上，并貫穿瑞士與法國邊境，主要的部份大半位于法國。雖然隧道本身位于地底下，尚有許多地面設(shè)施如冷卻壓縮機(jī)，通風(fēng)設(shè)備，控制電機(jī)設(shè)備，還有冷凍槽等等建構(gòu)于其上。加速器通道中，主要是放置兩個質(zhì)子束管。由于須維持前所未有高能量的粒子運(yùn)行，加速管由超導(dǎo)磁鐵所包覆，以液態(tài)氦來冷卻。管中的質(zhì)子是以相反的方向，環(huán)繞著整個環(huán)型加速器運(yùn)行。除此之外，在四個實(shí)驗(yàn)碰撞點(diǎn)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(zhì)子，初步將以5TeV（TeraElectronVolt

4、,兆電子伏特）的能量對撞，總撞擊能量達(dá)10TeV之多。（設(shè)計目標(biāo)為14TeV）每個質(zhì)子環(huán)繞整個儲存環(huán)的時間為89微秒。因?yàn)橥郊铀倨鞯奶匦?，加速管中的粒子是以粒子團(tuán)（bunch）的形式，而非連續(xù)的粒子流。整個儲存環(huán)將會有2800個粒子團(tuán)，最短碰撞周期為25納秒。在加速器開始運(yùn)作的初期，將會以軌道中放入較少的粒子團(tuán)的方式運(yùn)作，碰撞周期為75奈秒，再逐步提升到設(shè)計目標(biāo)。在粒子入射到主加速環(huán)之前，會先經(jīng)過一系列加速設(shè)施，逐級提升能量。其中，由兩個直線加速器所構(gòu)成的質(zhì)子同步加速器（PS）將產(chǎn)生50MeV的能量

5、，接著質(zhì)子同步推進(jìn)器（PSB）提升能量到1.4GeV。而質(zhì)子同步加速環(huán)可達(dá)到26GeV的能量。低能量入射環(huán)（LEIR）為一離子儲存與冷卻的裝置。反物質(zhì)減速器（AD）可以將3.57GeV的反質(zhì)子，減速到2GeV。最后超級質(zhì)子同步加速器（SPS）可提升質(zhì)子的能量到450GeV。在LHC加速環(huán)的四個碰撞點(diǎn)，分別設(shè)有五個偵測器在碰撞點(diǎn)的地穴中。其中超環(huán)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

6、（TOTEM）則是較小型的特殊目標(biāo)偵測器。LHC也可以用來加速對撞重離子，例如鉛（Pb）離子因其荷質(zhì)比(電荷和質(zhì)量的比值)可加速到1150TeV。由于LHC有著對工程技術(shù)上極端的挑戰(zhàn)，安全的確保是極其重要的。當(dāng)LHC開始運(yùn)作時，磁鐵中的總能量高達(dá)100億焦耳（GJ），而粒子束中的總能量也高達(dá)725百萬焦耳（MJ）。只需要10?7總粒子能量便可以使超導(dǎo)磁鐵脫離超導(dǎo)態(tài)，而丟棄全部加速器中的粒子可相當(dāng)于一個小型的爆炸。于2010年3月20日首度成功進(jìn)行了粒子撞擊實(shí)驗(yàn),并創(chuàng)造了高達(dá)7萬億電子伏特的龐大能量?！?/p>

7、研究主題】物理學(xué)家希望借由加速器對撞機(jī)來幫助他們解答下列的問題：*標(biāo)準(zhǔn)模型中所流行的造成基本粒子質(zhì)量的希格斯機(jī)制是真實(shí)的嗎？真是如此的話，希格斯粒子有多少種，質(zhì)量又分別是多少呢？*為何萬有引力相對于其他作用力是如此地微弱？當(dāng)重子的質(zhì)量被更精確的測量時，標(biāo)準(zhǔn)模型是否仍然成立？*自然界中粒子是否有相對應(yīng)的“超對稱”（SUSY）粒子存在著？詳見階層問題。*為何“物質(zhì)”與“反物質(zhì)”是不對稱的？詳見CP破壞。*有更高維度的空間（卡魯扎-克萊因理論）存在嗎？我們可以見到這啟發(fā)弦論的現(xiàn)象嗎？*宇宙有96%的質(zhì)能是目

8、前天文學(xué)上無法觀測到的暗物質(zhì)與暗能量，這些的組成到底是什么？*為何重力比起其他三個基本作用力（電磁力，強(qiáng)作用力，弱作用力）差了這么多個數(shù)量級？【重離子對撞機(jī)】雖然LHC的物理實(shí)驗(yàn)計劃，著重于研究質(zhì)子對撞后的現(xiàn)象。然而，如每年一個月的短期重離子對撞也在實(shí)驗(yàn)計劃之中。雖然其他較輕的離子對撞實(shí)驗(yàn)也是可行的，目前主要的規(guī)劃為鉛離子的對撞實(shí)驗(yàn)。【LHC升級計劃】有提議在十年內(nèi)LHC需要提升一次硬件性能。認(rèn)為LHC需要作基本上硬件的修改以提升它的“亮度”（單位截面碰