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大型强子对撞机
2012-06-28

  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,是一种将质子加速对撞的高能物理设备,英文名称为LHC(Large Hadron Collider)。大型强子对撞机坐落于日内瓦附近。参与这一项目的研究人员表示,在短短3个月的实验过程中,他们已经探测到处于我们当前对物理学的了解——标准模型核心的所有粒子。北京时间7月28日消息,据国外媒体报道,参与大型强子对撞机(LHC)项目的科学家表示,他们可能已经“接近”希格斯玻色子。希格斯玻色子也被称之为“上帝粒子”,据信在大爆炸之后宇宙形成过程中扮演重要角色。

  设备简介

  大型强子对撞器(Large Hadron Collider,LHC),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。(全球定位点:北纬46°14′00″,东经6°03′00″46.233333333333;6.05) LHC已经建造完成,北京时间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。但在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。LHC是一个国际合作的计划,由34国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。

  两个对撞加速管中的质子,各具有的能量为 7 TeV (兆兆电子伏特,),总撞击能量达 14 TeV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。

  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。

  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)离子可加速到1150 TeV。

  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。

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