過程及目的

建造過程和探索微觀粒子的目的

大型強子對撞器，英文名稱為LHC（Large Hadron Collider）是一座位于瑞士日內(nèi)瓦近郊歐洲核子研究組織CERN的粒子加速器與對撞機，作為國際高能物理學研究之用。地理坐標為北緯46°14′00″，東經(jīng)6°03′00″46.23;6.05， LHC已經(jīng)建造完成。

大型強子對撞機將是世界上最大、能量最高的粒子加速器，來自大約80個國家的7000名科學家和工程師。由40個國家建造。是一種將質(zhì)子加速對撞的高能物理設(shè)備。它是一個圓形加速器，深埋于地下100米，它的環(huán)狀隧道有 27 公里長，坐落于在瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心（又名歐洲粒子物理實驗室），橫跨法國和瑞士的邊境。

為了節(jié)省成本，物理學家們沒有開鑿一條昂貴的新隧道來容納新的對撞機，而是決定拆掉原來安置在歐洲原子核研究中心的正負電子加速器，代之以建造大型強子對撞機所需要的5萬噸設(shè)備。當兩個質(zhì)子束在環(huán)形隧道中沿著反方向運動的時候，強大的電場使它們的能量急劇增加。這些粒子每運行一圈，就會獲得更多的能量。要保持如此高能量的質(zhì)子束繼續(xù)運行需要非常強大的磁場。這么強的磁場是由冷卻到接近絕對零度的超導電磁體產(chǎn)生的。物理學家們最希望建造的是一個30公里長的機器，它能以至少5千億電子伏的能量將電子和正電子一起粉碎。 目前；對撞機已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了‘希格斯粒子希格斯玻色子的存在，升級后發(fā)現(xiàn)‘夸克奇異重子’五種夸克的‘味變’集合體存在，改造升級能量的加大還會‘探索發(fā)現(xiàn)’超對稱粒子和希格斯耦合粒子與粒子的額外維相存在。

設(shè)備結(jié)構(gòu)

LHC是一個國際合作的計劃，由34個國家超過兩千位物理學家所屬的大學與實驗室所共同出資合作興建的。

LHC包含了一個圓周為27公里的圓形隧道，因當?shù)氐匦蔚木壒饰挥诘叵?0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，主要的部分大半位于法國。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，通風設(shè)備，控制電機設(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。加速管由超導磁鐵所包覆，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)型加速器運行。除此之外，在四個實驗碰撞點附近，另有安裝其他的偏向磁鐵及聚焦磁鐵。

LHC加速環(huán)的四個碰撞點，分別設(shè)有五個偵測器在碰撞點的地穴中。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（TOTEM）則是較小型的特殊目標偵測器。

研究歷史

1994年，大型強子對撞機項目立項后，林恩·埃文斯理所當然地就成為了這個耗資百億美元的項目的負責人。對撞機從設(shè)計到建造，都由他全權(quán)負責。14年后，在瑞士和法國交界地區(qū)地下100米深處的周長為27公里的環(huán)形隧道里，埃文斯和全球80多個國家近萬名科學家的心血結(jié)晶——大型強子對撞機正式建成。

在2005年10月25日，因為起重機載貨的意外掉落，造成一位技術(shù)人員的喪生。

2007年3月27日，由費米實驗室所負責建造，一個用于 LHC 內(nèi)部的三極低溫超導磁鐵（屬于聚焦用四極磁鐵），因為支撐架的設(shè)計不良，在壓力測試時發(fā)生破損。雖然沒有造成人員的傷亡，但是卻嚴重影響了 LHC 開始運作的時程。

2008年6月15日，在埃文斯的退休儀式上，這6位主任紛紛親自出面或通過視頻向他致以敬意。他們還聯(lián)合簽署了一份文件，將大型強子對撞機以林恩·埃文斯的名字命名，并制作了一個對撞機偶極子的小模型贈送給埃文斯。

2008年9月10日，對撞機初次啟動進行測試。埃文斯將手指放在鼠標上，親自點擊啟動了首次測試。這次測試是研究人員將一個質(zhì)子束以順時針方向注入到加速器中，讓其加速到99.9998%光速的超快速度，從而使此質(zhì)子束在全長27公里的環(huán)形隧道中以每秒11245圈的速度狂飆。這一幕通過網(wǎng)絡(luò)視頻向世界進行了直播，還有300多名記者來到此實驗室目睹測試過程。

2008年9月19日，LHC，第三與第四段之間，用來冷卻超導磁鐵的液態(tài)氦，發(fā)生了嚴重的泄漏。據(jù)推測是由于聯(lián)接兩個超導磁鐵的接點接觸不良，在超導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檢查才能繼續(xù)運轉(zhuǎn)，這將需要三到四周的時間。要再冷卻回運作溫度，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，因此要開始運作將可能延遲至2009年春天。

2008年10月16日，CERN發(fā)布了關(guān)于液態(tài)氦泄漏事件的調(diào)查分析，證實了先前推測的為兩超導磁鐵間接點不良所造成的。由于安全條例確實地實行、安全設(shè)計皆有正常工作、并且替換用的零件都有庫存，預(yù)期2009年6月重啟。

運行狀況

2008年9月10日下午15：30正式開始運作，成為世界上最大的粒子加速器設(shè)施。

2008年9月19日，LHC第三與第四段之間，用來冷卻超導磁鐵的液態(tài)氦，發(fā)生了嚴重的泄漏，導致對撞機暫停運轉(zhuǎn)。

自大約80個國家的7000名科學家和工程師參與了該項目。

60余名中國科學家（其中近四十人為臺灣科學家）參與強子對撞機實驗。四個主要實驗均有中國科研單位和高校參與，分別為：中科院高能物理研究所、中國科技大學、山東大學、南京大學參與ATLAS實驗；中科院高能物理研究所、北京大學參與CMS實驗；華中師范大學參與ALICE實驗；清華大學參與LHCb實驗。

技術(shù)原理

大型強子對撞機（LHC）是歐洲粒子物理研究所(CERN）的加速器復(fù)合體的最新補充。

在這個加速器里面，2束高能粒子流在彼此相撞之前，以接近光速的速度向前傳播。這兩束粒子流分別通過不同光束管，向相反方向傳播，這兩根管子都處于超高真空狀態(tài)。一個強磁場促使它們圍繞那個加速環(huán)運行，這個強磁場是利用超導電磁石獲得的。這些超導電磁石是利用特殊電纜線制成的，它們在超導狀態(tài)下進行操作，有效傳導電流，沒有電阻消耗或能量損失。要達到這種結(jié)果，大約需要將磁體冷卻到零下271℃，這個溫度比外太空的溫度還低。由于這個原因，大部分加速器都與一個液態(tài)氦分流系統(tǒng)和其他設(shè)備相連，這個液態(tài)氦分流系統(tǒng)是用來冷卻磁體的。

大型強子對撞機利用數(shù)千個種類不同，型號各異的磁體，給該加速器周圍的粒子束指引方向。這些磁體中包括15米長的1232雙極磁體和392四極磁體，1232雙極磁體被用來彎曲粒子束，392四極磁體每個都有5到7米長，它們被用來集中粒子流。在碰撞之前，大型強子對撞機利用另一種類型的磁體“擠壓”粒子，讓它們彼此靠的更近，以增加它們成功相撞的機會。這些粒子非常小，讓它們相撞，就如同讓從相距10公里的兩地發(fā)射出來的兩根針相撞一樣。

這個加速器、它的儀器和技術(shù)方面的基礎(chǔ)設(shè)施的操作器，都安裝在歐洲粒子物理研究所控制中心的同一座建筑內(nèi)。在這里，大型強子對撞機內(nèi)的粒子流將在加速器環(huán)周圍的4個區(qū)域相撞，這4個區(qū)域與粒子探測器的位置相對應(yīng)。

工作流程

兩個對撞加速管中的質(zhì)子，各具有的能量為 7 TeV （兆兆電子伏特），總撞擊能量達 14 TeV之譜。每個質(zhì)子環(huán)繞整個儲存環(huán)的時間為 89 微秒（microsecond）。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(xù)的粒子流。整個儲存環(huán)將會有2800個粒子團，最短碰撞周期為 25 納秒（nanosecond）。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 納秒，再逐步提升到設(shè)計目標。

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50 MeV的能量，接著質(zhì)子同步推進器 （PSB）提升能量到1.4GeV。而質(zhì)子同步加速環(huán)可達到26 GeV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3.57 GeV的反質(zhì)子，減速到2 GeV。最后超級質(zhì)子同步加速器(SPS）可提升質(zhì)子的能量到450 GeV。

LHC也可以用來加速對撞重離子，例如鉛（Pb）離子可加速到1150 TeV。由于LHC有著對工程技術(shù)上極端的挑戰(zhàn)，安全上的確保是極其重要的。當LHC開始運作時，磁鐵中的總能量高達100億焦耳（GJ），而粒子束中的總能量也高達725百萬焦耳（MJ）。只需要10?7總粒子能量便可以使超導磁鐵脫離超導態(tài)，而丟棄全部的加速粒子可相當于一個小型的爆炸。

創(chuàng)始人物

林恩·埃文斯(Lyn Evans)，歐洲大型強子對撞機的領(lǐng)導者。是威爾士一位礦工的兒子，在阿布戴爾(Aberdare)中學時就對科學萌發(fā)了興趣，獲得了英國斯旺西大學的物理學博士學位。

1969年，他花3個月時間訪問了歐洲核子物理研究組織（CERN）項目。從此，他和妻子以及家人就定居在這里。65歲的威爾士人林恩·埃文斯大概可以算得上是這個世界上對“爆炸”最執(zhí)著的人了。從小就愛用各種化學物質(zhì)搗鼓點小爆炸的他，長大后又對宇宙大爆炸產(chǎn)生了興趣。

為了模擬宇宙大爆炸，解開宇宙之謎，他一手“策劃”了堪稱世界上最大科學實驗的歐洲大型強子對撞機（LHC）項目。從設(shè)計，建造，到實驗，埃文斯已經(jīng)一路伴隨這個項目走過了近16個年頭。5個月前正式從歐洲核子研究中心（CERN）退休后，埃文斯?jié)u漸放慢了工作節(jié)奏，但他依然沒有離開LHC項目。盡管不再擔任項目負責人，他在CMS（緊湊繆子線圈）實驗小組中仍然擔任著重要工作。

研究課題

歐洲核子研究中心于2008年9月10日啟動大型強子對撞機（LHC）。這個世界上最大的機器，有望揭開宇宙起源的奧秘在內(nèi)五大謎團。

過去幾十年來，物理學家不斷在細節(jié)上加深對構(gòu)成宇宙的基本粒子及其交互作用的了解。了解的加深讓粒子物理學的“標準模型”變得更為豐滿，但這個模型中仍存在縫隙，以至于我們無法繪制一幅完整的圖畫。為了幫助科學家揭示粒子物理學上這些關(guān)鍵性的未解之謎，需要大量實驗數(shù)據(jù)支持，大型強子對撞機便擔負起“數(shù)據(jù)提供者”的角色，這也是非常重要的一個步驟。大型強子對撞機能夠?qū)墒|(zhì)子加速到空前的能量狀態(tài)而后發(fā)生相撞，此時的撞擊可能帶來意想不到的結(jié)果，絕對是任何人都無法想象的。

牛頓未完成的工作——什么是質(zhì)量？

質(zhì)量的起源是什么？為什么微小粒子擁有質(zhì)量，而其它一些粒子卻沒有這種“待遇”？對于這些問題，科學家到現(xiàn)在也沒有找到一個確切答案。最有可能的解釋似乎可以在希格斯玻色子身上找到。希格斯玻色子是“標準模型”這一粒子物理學理論中最后一種尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子，它的存在是整個“標準模型”的基石。早在1964年，蘇格蘭物理學家彼得·希格斯(Peter Higgs）便首次預(yù)言存在這種粒子，科學家多次通過這臺機器觀測到這種粒子。

ATLAS和CMS實驗將積極尋找這種難于捉摸的粒子存在跡象。

一個“看不見”的問題——96%的宇宙由什么構(gòu)成？

我們在宇宙中看到的一切——從小螞蟻到巨大的星系——都是由普通粒子構(gòu)成的。這些粒子被統(tǒng)稱為物質(zhì)，它們構(gòu)成了4%的宇宙。余下的部分據(jù)信由暗物質(zhì)——不發(fā)光的物質(zhì)和暗能量構(gòu)成，它們對于整個宇宙的構(gòu)成與運行有著極其重要的作用。對它們進行探測和研究的難度不可想象。研究暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)是當今粒子物理學和宇宙學面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

ATLAS和CMS實驗將尋找超級對稱的粒子，用于驗證一種與暗物質(zhì)構(gòu)成有關(guān)的假設(shè)。

大自然的偏好——為什么找不到反物質(zhì)？

我們生活在一個由物質(zhì)構(gòu)成的世界，宇宙萬物——包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)都是由物質(zhì)構(gòu)成的。反物質(zhì)就像物質(zhì)的一個孿生兄弟，但它卻攜帶相反電荷。在宇宙誕生時，“大爆炸”產(chǎn)生了相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)。然而，一旦這對孿生兄弟碰面，它們就會“同歸于盡”，并最終轉(zhuǎn)換成能量。不知何故，少量物質(zhì)幸存下來，并形成我們現(xiàn)在生活的宇宙，而它的孿生兄弟反物質(zhì)卻幾乎消失得無影無蹤。為什么大自然不能一碗水端平，平等對待這對孿生兄弟呢？

LHCb實驗將尋找物質(zhì)與反物質(zhì)之間的差異，幫助解釋大自然為何如此偏向。此前的實驗已經(jīng)觀察到兩者之間的些許不同，但迄今為止的研究發(fā)現(xiàn)還不足以解釋宇宙中的物質(zhì)和暗物質(zhì)為何在數(shù)量上呈現(xiàn)出明顯的不均衡。

“大爆炸”的秘密——物質(zhì)在宇宙誕生后的第一秒呈什么狀態(tài)？

構(gòu)成宇宙萬物的物質(zhì)據(jù)信來源于一系列密集而熾熱的基本粒子?，F(xiàn)在宇宙中的普通物質(zhì)由原子構(gòu)成，原子擁有一個由質(zhì)子和中子構(gòu)成的核子，質(zhì)子和中子都是被稱之為“膠子”的其它粒子束縛夸克形成的。這種束縛非常強大，但在最初的宇宙，由于溫度極高加之能量巨大，膠子很難將夸克結(jié)合在一起。也就是說，這種束縛似乎是在“大爆炸”發(fā)生后的最初幾微秒內(nèi)形成的，此時的宇宙擁有一個由夸克和膠子構(gòu)成的非常熾熱而密集的混合物，也就是所說的“夸克-膠子等離子體”。

ALICE實驗將利用大型強子對撞機模擬大爆炸發(fā)生后的原始宇宙形態(tài)，分析夸克-膠子等離子體的性質(zhì)。

隱藏的世界——空間的額外維度真的存在嗎？

根據(jù)愛因斯坦廣義相對論，人類生存的三維空間加上時間軸即構(gòu)成所謂四維時空。后來的理論認為，可能存在擁有隱藏維度的空間。弦理論便暗示額外的空間維度尚未被人類觀察到，它們似乎會在高能條件下顯現(xiàn)出來?；谶@種推測，科學家將對所有探測器獲得的數(shù)據(jù)進行仔細分析，以尋找額外維度存在跡象。

物理學家希望借由加速器對撞機來幫助他們解答下列的問題：

標準模型中所流行的造成基本粒子質(zhì)量的希格斯機制是真實的嗎？

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？

當重子的質(zhì)量被更精確的測量時，標準模型是否仍然成立的？

粒子是否有相對應(yīng)的超對稱（SUSY）粒子存在？

為何物質(zhì)與反物質(zhì)是不對稱的？

有更高維度的空間（Kaluza-Kleintheory,extradimensions）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)量是天文學上無法觀測到的，這些到底是什么？

為何萬有引力比起其他三個基本作用力（電磁力，強作用力，弱作用力）差了這么多個數(shù)量級？

重離子對撞機

雖然LHC的物理實驗計劃，著重于研究質(zhì)子對撞后的現(xiàn)象。然而，短期的如每年一個月的重離子對撞也在實驗計劃之中。雖然其他較輕的離子對撞實驗也是可行的，主要的規(guī)劃為鉛離子的對撞實驗。

獲得榮譽

世界上最大的機器

大型強子對撞機的精確周長是2.6659萬米，內(nèi)部總共有9300個磁體。大型強子對撞機不僅是世界上最大的粒子加速器，而且僅它的制冷分配系統(tǒng)（cryogenic distribution system）的八分之一，就稱得上是世界上最大的制冷機。制冷分配系統(tǒng)在充滿近60噸液態(tài)氦，將所有磁體都冷卻到零下271.3℃（1.9開氏度）前，它將先利用1.008萬噸液態(tài)氮將這些磁體的溫度降低到零下193.2℃。

世界上最快的跑道

功率達到最大時，數(shù)萬億個質(zhì)子將在大型強子對撞機周圍的加速器環(huán)內(nèi)以每秒1.1245萬次的頻率急速穿行，它們的速度是光速的99.9999991%。兩束質(zhì)子束分別以70000億電子伏特的最大功率相向而行，在功率達到140000億電子伏特時發(fā)生碰撞。每秒總共能發(fā)生大約6億次撞擊。

太陽系中最空的空間

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(huán)境中穿行。大型強子對撞機的內(nèi)壓是10^（-13）（10的負13次方）個大氣壓，比月球上的壓力小10倍。

銀河系最熱點

大型強子對撞機是一個極熱和極冷并存的機器。當兩束質(zhì)子束相撞時，它們將在一個極小的空間內(nèi)產(chǎn)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(huán)周圍循環(huán)的制冷分配系統(tǒng)，讓大型強子對撞機保持在零下271.3℃（1.9開氏度）的超低溫環(huán)境下，這個溫度比外太空的溫度還低。

史上最先進的探測器

為了抽樣檢查和記錄每秒多達6億次的質(zhì)子相撞結(jié)果，物理學家和工程師已經(jīng)制造了測量粒子的精確度是微米的龐大儀器。大型強子對撞機的探測器擁有先進的電子觸發(fā)系統(tǒng)，它測量粒子經(jīng)過時所用時間的精確度，大約是十億分之一秒。這個觸發(fā)系統(tǒng)在確定粒子的位置時，精確度可達百萬分之一米。這種令人難以置信的快速和精確反應(yīng)，是確保一個探測器連續(xù)層內(nèi)記錄的粒子保持一致的基礎(chǔ)。

世界最強大計算機系統(tǒng)

記錄大型強子對撞機進行的每項大試驗的數(shù)據(jù)，每年大約足夠刻10億張雙面DVD光盤。據(jù)估計，大型強子對撞機的壽命是15年。為了讓世界各地的數(shù)千名科學家在未來15年內(nèi)通力合作，分析這些數(shù)據(jù)，分布在世界各地的好幾萬臺電腦將利用一種被稱作網(wǎng)格的分散式計算網(wǎng)（distributed computing network）實施研究工作。

世界各地的數(shù)千名科學家都希望了解并分析這些數(shù)據(jù)。為了解決這個問題，目前歐洲粒子物理研究所（CERN）正在建一個分散的計算和數(shù)據(jù)儲存設(shè)施——大型強子對撞機計算網(wǎng)格（LCG）。大型強子對撞機實驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，將通過歐洲粒子物理研究所記錄在磁帶進行原始文件備份后，再分發(fā)到世界各地。經(jīng)過初始加工，這種數(shù)據(jù)將被傳送到可為大量數(shù)據(jù)提供充足儲存空間的一系列大型計算機中心，這些計算機中心一天二十四小時不停地為大型強子對撞機計算網(wǎng)格提供服務(wù)。

中國臺灣也參與其中，負責其中兩項重要系統(tǒng)的研發(fā)，并處理龐大實驗數(shù)據(jù)。亞洲唯一的電腦中心就設(shè)在臺灣的中研院。這次臺灣約有40名科學家參與這項國際實驗，負責世界上最大與最重的偵測器研發(fā)，而且處理龐大實驗數(shù)據(jù)所倚賴的「網(wǎng)格電腦」就設(shè)在臺灣的中研院。

經(jīng)過這些計算機中心的處理，其他設(shè)備就可使用這些數(shù)據(jù)了，其他的設(shè)備每個都有一個或幾個實施特殊分析任務(wù)的聯(lián)合計算機中心組成。當個科學家可通過大學部門的局域網(wǎng)或個人電腦了解這些設(shè)備，這些人可能會經(jīng)常查看大型強子對撞機計算網(wǎng)格。

中國研發(fā)

2014年7月，中國北京高能物理研究所正在籌備一個兩倍于LHC的環(huán)形粒子對撞機。

中國將要修建的對撞機周長達到了52公里，對撞能量高達70 TeV。按計劃，中國的對撞機將在初期階段只針對電子，且對撞能量僅有能量240 GeV，而后期則逐漸開足馬力進行質(zhì)子對撞。

預(yù)計中國的對撞機將在2028年投入使用，耗資30億美元，目前尚不清楚這是否是一個與國外同行攜手進行的聯(lián)合項目。