大型强子对撞机.doc

1、大型强子对撞机求助编辑百科名片大型强子对撞机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。目录设备简介 研究主题 主要计

2、划 LHC 升级计划 分布式计算机化经费支出 设备建设 相关问题 科学家认为会造出黑洞工作原理 六大科学实验 大型离子对撞机实验 超环面仪器实验 紧凑渺子线圈实验 LHC 底夸克探测器(LHCb) 全截面弹性散射探测器(TOTEM) LHCf 探测器创造之最 世界上最大的机器 世界上最快的跑道 太阳系中的最空的空间 银河系中最热的热点但比外太空要冷 有史以来最大最先进的探测器 世界最强大的超级计算机系统待解谜团 安全评估 宇宙射线 微型黑洞 奇异微子 真空泡沫 磁单极子 报告和评估 模拟宇宙大爆炸改善人类生活 最新进展情况设备简介研究主题主要计划 LHC 升级计划 分布式计算机化经费支出设备建

3、设相关问题 科学家认为会造出黑洞工作原理六大科学实验 大型离子对撞机实验 超环面仪器实验 紧凑渺子线圈实验 LHC 底夸克探测器(LHCb) 全截面弹性散射探测器(TOTEM) LHCf 探测器创造之最 世界上最大的机器 世界上最快的跑道 太阳系中的最空的空间 银河系中最热的热点但比外太空要冷 有史以来最大最先进的探测器 世界最强大的超级计算机系统待解谜团安全评估 宇宙射线 微型黑洞 奇异微子 真空泡沫 磁单极子 报告和评估 模拟宇宙大爆炸改善人类生活最新进展情况展开编辑本段设备简介大型强子对撞器12 (Large Hadron Collider，LHC)，是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究

4、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 461400，东经 6030046.233333333333;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 CERN 的大型强子对撞机转。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

5、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

6、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

7、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 (

8、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。3 编辑本段研究主题物

9、理学家希望借由加速器对撞机来帮助他们解答下列的问题： 标准模型中所流行的造成基本粒子质量的希格斯机制是真实的吗？ 真是如此的话，希格斯粒子有多少种，质量又分别是多少呢？ 当重子的质量被更精确的测量时，标准模型是否仍然成立的？ 粒子是否有相对应的超对称(SUSY)粒子存在？ 为何物质与反物质是不对称的？ 有更高维度的空间(Kaluza-Kleintheory,extradimensions) 存在吗？ 我们可以见到这启发弦论的现象吗？ 宇宙有 96%的质量是目前天文学上无法观测到的，这些到底是什么？ 为何万有引力比起其他三个基本作用力(电磁力，强作用力，弱作用力) 差了这么多个数量级？ 重离子对

10、撞机 虽然 LHC 的物理实验计划，着重于研究质子对撞后的现象。然而，短期的如每年一个月的重离子对撞也在实验计划之中。虽然其他较轻的离子对撞实验也是可行的，目前主要的规划为铅离子的对撞实验。 编辑本段主要计划LHC 升级计划有提议在十年内 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 大型强子对撞机升它的亮度（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 1 TeV，因此前置入射装置也需作一个升级的动作，特别是在于超

11、级质子同步加速器的部分。 分布式计算机化LHCHome 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

12、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。8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，太阳系星体从形成到现在这么多年下来，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

13、，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 年运作到现在，都没有有产生可以摧毁地球的物质的迹象。 编辑本段经费支出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

14、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。 编辑本段设备建设在 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

15、影响了 LHC 开始运作的时程。费米实验室主任皮耶奥登（Pier Oddone）说道：在这个案例中，我们惊讶地发现到，一个简单的静力平衡被疏忽了。 这个错误存在原始的设计中，而且经过多年来数次的审核都没有发现。 分析发现，为了缩小支撑架的粗细来达成束流管更佳的绝缘效果，却因此不足以支撑压力测试时，所施加的外力。详细的内容可见于费米实验室的对外说明，CERN 也同意其内容。修复损坏的磁铁，并且补强八个同型的磁铁造成了 LHC 预计开始运行的时程，因此延迟到 2007年 11 月。 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，目前据推测是由于联

16、接两个超导磁铁的接点接触不良，在超导高电流的情况下融毁所造成的。依据 CERN 的安全条例，必需将磁铁升回到室温后详细检查才能继续运转，这将需要三到四周的时间。要再冷却回运作温度，也是得经过三四周的时间，如此正好遇上预定的年度检修时程，因此要开始运作将可能延迟至 2009 年春天。 2008 年 10 月 16 日，CERN 发布了关于液态氦泄漏事件的调查分析，证实了先前推测的为两超导磁铁间接点不良所造成的。由于安全条例确实地实行、安全设计皆有正常工作、并且替换用的零件都有库存，预期明年 6 月重启。 编辑本段相关问题大型强子对撞机它是什么？ 它将是世界上最大、能量最高的粒子加速器，是一种将质

17、子加速对撞的高能物理设备，英文名称为 LHC(Large Hadron Collider)。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，因此走完全程要花 4 个多小时。你可以将百慕大、摩纳哥和 4 个梵蒂冈塞进它所占的区域内。近期，大型强子对撞机将投入使用。 位置： 它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。 它有什么用途？ 大型强子对撞机将两束质子分别加速到 7TeV（7 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

18、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。 它为什么这么大？ 事实上，你应该问为什么它这么小。答案是为了节省成本。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。 谁在为它工作？ 来自大约 80 个国家的 600 名科学家和工程师。 成本：

19、60 亿欧元（由 40 个国家凑足） 。 后继者： 即使大型强子对撞机还在建设中，那也没有阻止物理学家们考虑下一个大型粒子加速器。他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。 我国在 1988 年建成了北京正负电子对撞机；欧洲核子研究中心的正负电子对撞机是当今世上能量最大的对撞机，其能量为 100GeV，主加速器周长为 27km 目前正在建造的大型强子(质子- 质子) 对撞机。能量高达 16TeV。 科学家认为会造出黑洞一些科学家却大肆声张此实验会制造不稳定的黑洞，进而会吞噬地球。他们已经上告法庭，以尽最大努力来阻止此实验的进行。其中一位

20、告状的人就是德国退休的化学家奥托勒斯勒尔教授，他表示此对撞机在试验中很有可能产生微型黑洞，它将以指数倍的速度膨胀，并将吞噬地球。在最坏的情况下，这些人造黑洞将在 4 年内吞噬地球。 “届时气候会发生完全的改变，生命将全部消亡，地球将被黑洞吞噬。 ”为此，他向欧洲人权法院提出了起诉，并申请对欧洲核子研究组织（CERN）启动的大型强子对撞机实验发出紧急禁令。但该法院驳回了紧急禁令的申请，但将继续对起诉方提出的该试验违反欧洲人权法 、侵犯人权的指控进行审理。 编辑本段工作原理电脑绘制的对撞机整体结构图世界上最大和最有威力的粒子加速器-大型强子对撞机(LHC)是欧洲粒子物理研究所(CERN)的加速器复

21、合体的最新补充。大型强子对撞机主要由一个 27 公里长的超导磁体环和许多促使粒子能沿着特定方向传播的加速结构组成。 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

22、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。 这个加速器、它的仪器和技术方面的基础设施的操作器，都安装在欧洲粒子物理研究所控制中心的同一座建筑内。在这里，大型强子对撞机内的粒

23、子流将在加速器环周围的 4个区域相撞，这 4 个区域与粒子探测器的位置相对应。 编辑本段六大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

24、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。TOTE

25、M 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。 大型离子对撞机实验为了进行大型离子对撞机实验，大型强子对撞机将让铅离子进行对撞，在实验室条件下重建“大爆炸” 之后的宇宙初期形态。获得的数据将允许物理学家研究夸克- 胶子等离子体的性质和状态，这种物质据信在“大爆炸”发生后只存在很短时间。 现在宇宙的所有普通物质都是由原子构成，每个原子拥有一个由质子和中子构成的核子，核子周围环绕着电子。质子和中子都是被称之为“胶子”的其它粒子束缚夸克形成的。这种不可思议的强大束缚意味着，独立的夸克是永远也不会被发现的。 大型强子对撞机内上演撞击时产生的高温是

26、太阳内部温度的 10 万倍。物理学家希望看到的是，质子和中子会在这种高温条 ATLAS 是大型强子对撞机两个通用探测器之个件下“熔化”，并释放被胶子束缚的夸克。这么做将创造夸克- 胶子等离子体，它们可能只存在于“大爆炸”之后，当时的宇宙仍处在极度高温之下。科学家计划在夸克- 胶子等离子体膨胀和冷却过程中对其进行研究，观察它如何形成最终构成当前宇宙物质的粒子。 共有来自 28 个国家的 94 个研究机构的 1000 多名科学家参与 ALICE 实验。 ALICE 探测器相关资料 尺寸：长 26 米，高 16 米，宽 16 米 重量：1 万公吨 位置：法国小镇圣吉利斯-珀利(StGenis-Pou

27、illy)。 超环面仪器实验超环面仪器实验 ATLAS 是大型强子对撞机两个通用探测器中的一个。此项实验涉及到物理学的很多领域，包括寻找希伯斯玻色子、额外维度以及构成暗物质的粒子。与 CMS的实验目的一样，ATLAS 也将记录与撞击时产生的粒子有关的类似数据，即它们的路径、能量以及特性等等。虽然实验目的相同，但 ATLAS 和 CMS 探测器的磁铁系统却采用了完全不同的技术和设计。 ATLAS 探测器巨大的圆环形磁铁系统是它的主要特征。这一系统由 8 个 25 米长的超导磁 ALICE 探测器铁线圈组成。磁铁线圈分布在贯穿探测器中心的粒子束管周围，形成一个“圆筒”。实验过程中，磁场将被包含在线

28、圈分离出的中央柱形空间内。 共有来自 37 个国家的 159 个研究机构的 1700 多名科学家参与 ATLAS 实验。 ATLAS 探测器相关资料 尺寸：长 46 米，高 25 米，宽 25 米，是迄今为止制造的个头最大的粒子探测器。 重量：7000 公吨 位置：瑞士梅林(Meyrin) 紧凑渺子线圈实验CMS 实验利用一个通用探测器，对物理学的很多领域进行研究，包括寻找希伯斯玻色子、额外维度以及构成暗物质的粒子。虽然实验目的与 ATLAS 相同，但这个探测器的磁铁系统却采用了完全不同的技术和设计。 CMS 探测器是在一个巨型螺管式磁铁基础上建成的。它采用圆柱形超导电缆线圈，可产生 4 特斯

29、拉的磁场，相当于地球磁场的 10 万倍。这个巨大磁场受一个“铁轭”限制探测器 1.25 万公吨的重量大部分来自“铁轭”。与大型强子对撞机的其它巨型探测器有所不同的是，CMS 探测器并不是在地下建造，而是选在地上，后分成 15 个部分被运至地下，最后完成组装，这也算得上它的一大特色。 共有来自 37 个国家的 155 个研究机构的 2000 多名科学家参与 CMS 实验。 CMS 探测器相关资料 尺寸：长 21 米，宽 15 米，高 15 米 重量：1.25 万公吨 位置：法国塞希(Cessy) 。 LHC 底夸克探测器(LHCb)LHC 底夸克探测器 LHCb 实验将有助于我们理解人类为何生活

30、在一个几乎完全由物质而非反物质构成的宇宙。它通过研究一种称为“美夸克”(beauty quark)的粒子，专门对物质和反物质之间的微妙差异展开调查。LHCb 实验不是将整个撞击点同密封探测器围起来，而是使用一系列子探测器去主要探测前行粒子(forward particle)。 第一个子探测器将安装到撞击点附近，而接下来的几个将会一个挨一个安装，它们的长度都超过 20 米。大型强子对撞机将创造出大量不同类型的夸克，然后它们将快速蜕变为其他类型。为捕捉到“美夸克”，LHCb 项目小组已开发出先进的可移动跟踪探测器，并安装在围绕于大型强子对撞机周围的 LHC 底夸克探测器光束路径附近。LHCb 项目

31、小组由来自 13 个国家 48 所研究机构的 650 位科学家组成。 LHC 底夸克探测器相关资料 尺寸：长 21 米，高 10 米，宽 13 米 重量：5600 吨 设计：具有平面探测器的前向接受谱仪 地点：法国费尔奈-伏尔泰 全截面弹性散射探测器(TOTEM)全截面弹性散射探测器实验研究前行粒子，以重点分析普通实验难以获得的物理学原理。在一系列研究中，它将测量质子大小，还将准确监控大型强子对撞机的光度。想要做到这一点，全截面弹性散射探测器就必须要捕捉到距大型强子对撞机光束非常近的距离产生的粒子。它由一组安放在称为“罗马罐”(Romanpot) 的特制真空室的探测器组成。 “罗马罐”同大型强

32、子对撞机的光束管道相连。8 个“ 罗马罐 ”将被一对一对地置于 CMS实验撞击点附近的四个地点。尽管从科学意义上讲这两次实验是独立的，但 TOTEM 实验将是 CMS 探测器和其他大型强子对撞机实验所获结果的有力补充。来自 8 个国家 10 所研究机构的 50 位科学家将参与 TOTEM 实验。 全截面弹性散射探测器相关资料 尺寸：长 440 米，高 5 米，宽 5 米 重量：20 吨 设计：“罗马罐” ，GEM 探测器和阴极条感应室 地点：法国塞斯(位于 CMS 附近) LHCf 探测器LHCf 实验将用于研究大型强子对撞机内部产生的前行粒子，作为在实验室环境下模拟宇宙射线的来源。宇宙射线是

33、自然产生于外太空的带电粒子，不断轰击地球大气层。它们在高层大气与核子相撞，产生一连串到达地面的粒子。研究大型强子对撞机内部撞击如何引起类似的粒子串有助于科学家解释和校准大规模宇宙射线实验，这种实验会覆盖数千公里的范围。来自 4 个国家 10 所研究机构的 22 位科学家将参与 LHCf 实验。 LHCf 探测器相关资料 尺寸：两个探测器，每个长 30 厘米，高 80 厘米，宽 13 厘米 重量：每个重 40 公斤 地点：瑞士梅林(位于 ATLAS 附近) 编辑本段创造之最世界最大粒子对撞机世界上最大的机器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。不仅大型强子

34、对撞机是世界上最大的粒子加速器，而且仅它的制冷分配系统(cryogenic distribution system)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 99.9999991%。两束质子束分别以 70000 亿电子伏特的最大功率相向而行，在功率达到 140000 亿电子伏特时发生碰撞。

35、每秒总共能发生大约 6 亿次撞击。 太阳系中的最空的空间为了避免加速器中的粒子束与空气分子相撞，这些粒子束在像行星间的空间一样空荡的超真空环境中穿行。大型强子对撞机的内压是 10(-13)（10 的负 13 次方）个大气压，比月球上的压力 大型强子对撞机隧道内的冷磁体小 10 倍。 银河系中最热的热点但比外太空要冷大型强子对撞机是一个极热和极冷的机器。当两束质子束相撞时，它们将在一个极小的空间内产生比太阳中心热 10 万倍的高温。与之相比，促使超流体氦在加速器环周围循环的制冷分配系统，让大型强子对撞机保持在零下 271.3(1.9 开氏度) 的超低温环境下，这个温度比外太空的温度还低。 有史以

36、来最大最先进的探测器为了抽样检查和记录每秒多达 6 亿次的质子相撞结果，物理学家和工程师已经制造了测量粒子的精确度是微米的庞大仪器。大型强子对撞机的探测器拥有先进的电子触发系统，它测量粒子经过时所用时间的精确度，大约是十亿分之一秒。这个触发系统在确定粒子的位置时，精确度可达百万分之一米。这种令人难以置信的快速和精确反应，是确保一个探测器连续层内记录的粒子保持一致的基础。 进行安装时电脑中心的场景世界最强大的超级计算机系统记录大型强子对撞机进行的每项大试验的数据，每年大约足够刻 10 亿张双面 DVD 光盘。据估计，大型强子对撞机的寿命是 15 年。为了让世界各地的数千名科学家在未来 15年内通

37、力合作，分析这些数据，分布在世界各地的好几万台电脑将利用一种被称作网格的分散式计算网(distributed computing network)实施研究工作。 世界各地的数千名科学家都希望了解并分析这些数据。为了解决这个问题，目前欧洲粒子物理研究所(CERN)正在建一个分散的计算和数据储存设施大型强子对撞机计算网格(LCG)。大型强子对撞机实验产生的数据，将通过欧洲粒子物理研究所记录在磁带进行原始文件备份后，再分发到世界各地。经过初始加工，这种数据将被传送到可为大量数据提供充足储存空间的一系列大型计算机中心，这些计算机中心一天二十四小时不停地为大型强子对撞机计算网格提供服务。我国台湾也参与其

38、中，并负责其中两项重要系统的研发，其次处理庞大实验数据，亚洲唯一的电脑中心就设在台湾的中研院。这次 台湾约有 40 名科学家参与这项国际实验，负责世界上最大与最重的侦测器研发，其次处理庞大实验数据所倚赖的网格电脑就设在台湾的中研院。 经过这些计算机中心的处理，其他设备就可使用这些数据了，其他的设备每个都有一个或几个实施特殊分析任务的联合计算机中心组成。当个科学家可通过大学部门的局域网或个人电脑了解这些设备，这些人可能会经常查看大型强子对撞机计算网格。与大型强子对撞机计算网格密切合作的欧洲粒子物理研究所的其他网格项目： 1.E-Science 网格(EGEE)：大型强子对撞机计算网格是这个项目的

39、初级生产 编辑本段待解谜团宇宙大爆炸示意图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

40、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伯斯玻色子身上找到。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(Peter Higgs)便首次预言存在这种粒子，但迄今为止，科学家仍未见过它的庐山真面目。 ATLAS 和 CMS 实验将积极寻找这种难于捉摸的粒子存在迹象。 一个“看不见” 的问题96%的宇宙由什么构成？

41、 我们在宇宙中看到的一切从小蚂蚁到巨大的星系都是由普通粒子构成的。这些粒子被统称为物质，它们构成了 4%的宇宙。余下的部分据信由暗物质不发光的物质和暗能量构成，它们对于整个宇宙的构成与运行有着极其重要的作用。对它们进行探测和研究的难度不可想象。研究暗物质和暗能量的性质是当今粒子物理学和宇宙学面临的最大挑战之一。 ATLAS 和 CMS 实验将寻找超级对称的粒子，用于验证一种与暗物质构成有关的假设。大自然的偏好为什么找不到反物质？ 我们生活在一个由物质构成的世界，宇宙万物包括我们人类在内都是由物质构成的。反物质就像物质的一个孪生兄弟，但它却携带相反电荷。在宇宙诞生时， “大爆炸”产生了相同数量的

42、物质和反物质。然而，一旦这对孪生兄弟碰面，它们就会“同归于尽”，并最终转换成能量。不知何故，少量物质幸存下来，并形成我们现在生活的宇宙，而它的孪生兄弟反物质却几乎消失得无影无踪。为什么大自然不能一碗水端平，平等对待这对孪生兄弟呢？ LHCb 实验将寻找物质与反物质之间的差异，帮助解释大自然为何如此偏向。此前的实验已经观察到两者之间的些许不同，但迄今为止的研究发现还不足以解释宇宙中的物质和暗物质为何在数量上呈现出明显的不均衡。 “大爆炸”的秘密物质在宇宙诞生后的第一秒呈什么状态？ 构成宇宙万物的物质据信来源于一系列密集而炽热的基本粒子。现在宇宙中的普通物质由原子构成，原子拥有一个由质子和中子构成

43、的核子，质子和中子都是被称之为“胶子”的其它粒子束缚夸克形成的。这种束缚非常强大，但在最初的宇宙，由于温度极高加之能量巨大，胶子很难将夸克结合在一起。也就是说，这种束缚似乎是在“大爆炸”发生后的最初几微秒内形成的，此时的宇宙拥有一个由夸克和胶子构成的非常炽热而密集的混合物，也就是所说的“夸克- 胶子等离子体”。 ALICE 实验将利用大型强子对撞机模拟大爆炸发生后的原始宇宙形态，分析夸克-胶子等离子体的性质。 隐藏的世界空间的额外维度真的存在吗？ 根据爱因斯坦广义相对论，人类生存的三维空间加上时间轴即构成所谓四维空间。后来的理论认为，可能存在拥有隐藏维度的空间。弦理论便暗示额外的空间维度尚未被

44、人类观察到，它们似乎会在高能条件下显现出来。基于这种推测，科学家将对所有探测器获得的数据进行仔细分析，以寻找额外维度存在迹象。 编辑本段安全评估大型强子对撞机大型强子对撞机(LHC)产生的能量是其他粒子加速器以前都无法达到的，但是自然界中的宇宙光相撞产生了更高的能量。多年来，这种高能粒子相撞产生的能量的安全性问题，一直备受关注。据新实验数据和对相关理论的新认识显示，大型强子对撞机安全评估团(LSAG)已经重新校正了该团在 2003 年做出的一份调查分析。这个安全评估团由中立派科学家组成。 2003 年，有关报告称大型强子对撞机碰撞不存在风险，因此没理由对安全问题过多关注。现在大型强子对撞机安全

45、评估团对这些结论进行了重新审定和补充。不管大型强子对撞机将要做什么，自然界在地球和其他天体的一生中，已经这样做了很多次。欧洲粒子物理研究所科学政策委员会(CERNs Scientific Policy Committee)已经重新审查了大型强子对撞机安全评估团的报告，并对该团的观点表示赞成。欧洲粒子物理研究所科学政策委员会是由为欧洲粒子物理研究所的主管团体董事会提建议的院外科学家组成。欧洲粒子物理研究所总结出的主要论据，可支持大型强子对撞机安全评估团的论文观点。任何对更多细节感兴趣的人，都被鼓励直接商讨这个问题和它涉及的技术科学论文。 宇宙射线跟其他粒子加速器一样，大型强子对撞机在受控实验室环

46、境中重新再现了宇宙射线的自然现象，这使科学家能对宇宙射线进行更加详细的研究。宇宙射线是外层空间产生的粒子，其中一些粒子通过加速，产生的能量远远超过了大型强子对撞机产生的能量。在大约70 年的实验中，宇 寻找希伯斯玻色子宙射线传播到地球大气层的能量及速度都已经被监测到。在过去的数十亿年间，地球上的自然界内发生的粒子撞击次数，已经相当于大约 100 万次大型强子对撞机实验，可是至今地球仍然存在。天文学家在宇宙中观测到大量体积更大的天体，它们都受到宇宙射线轰击。宇宙的运行情况，就如同像大型强子对撞机一样的实验每秒运行超过数百亿次。任何危险结果的可能性与天文学家看到的现实相矛盾，因为至今恒星和星系仍然

47、存在。 微型黑洞当比我们的太阳更大的特定恒星在生命最后阶段发生爆炸时，自然界就会形成黑洞。它们将大量物质浓缩在非常小的空间内。假设在大型强子对撞机内的质子相撞产生粒子的过程中，形成了微小黑洞，每个质子拥有的能量可跟一只飞行中的蚊子相当。天文学上的黑洞比大型强子对撞机能产生的任何东西的质量更重。据爱因斯坦的相对论描述的重力性质，大型强子对撞机内不可能产生微小黑洞。然而一些纯理论预言大型强子对撞机能产生这种粒子产品。所有这些理论都预测大型强子对撞机产生的此类粒子会立刻分解。因此它产生的黑洞将没时间浓缩物质，产生肉眼可见的结果。 虽然稳定的微小黑洞理论站不住脚，但是研究宇宙射线产生的微小黑洞结果显示

48、，它们没有危害。大型强子对撞机内发生的撞击，与地球等天体和宇宙射线发生碰撞不同，在大型强子对撞机内的碰撞过程中产生的新粒子，一般比宇宙射线产生的粒子的运行速度更加缓慢。稳定的黑洞不是带电，就是呈中性。不管是宇宙射线产生的粒子，还是大型强子对撞机产生的粒子，如果它们带电，它们就能与普通物质结合，这个过程在粒子穿越地球时会停止。地球依然存在的事实，排除了宇宙射线或大型强子对撞机可产生带电且危险的微小黑洞的可能性。如果稳定的微小黑洞不带电，它们与地球之间的互动将非常微弱。宇宙射线产生的那些黑洞可以在不对地球造成任何危害的情况下穿过它，进入太空，因此由大型强子对撞机产生的那些黑洞也可继续停留在地球上。

49、然而，宇宙中有比地球更大更密集的天体。宇宙射线与中子星或白矮星等天体相撞产生的黑洞可处于休眠状态。地球等这种致密体继续存在的事实，排除了大型强子对撞机产生任何危险黑洞的可能性。 奇异微子奇异微子是针对一种假设的微小“奇异物质”产生的术语，奇异物质包含几乎与奇异夸克数量一样的粒子。根据理论成分最高的研究显示，奇异微子在一百万分之一千秒内，能转变成普通物质。但是奇异微子能否与普通物质结合，变成奇异物质？2000 年相对论重离子对撞机(RHIC) 在美国第一次出现时，人们提出了这个问题。当时的一项研究显示，人们没有理由关注这个问题，现在相对论重离子对撞机已经运行 8 年，它一直在寻找奇异微子，但是 2007 年科学家绘制的宇宙暗物质三维数字地图至今仍一无所获。有时大型强子对撞机就像相对论重离子对撞机一样，需要通过重核子束运转。大型强子对撞机的光束拥有的能量将比相对论重离子对撞机的光束拥有的能量更多，但是这种情况使奇异微子形成的可能性更小。就像冰不能在热水中形成一样，像这种对撞机产生的高温，很难让奇异物质结合在一起。另外，夸克在大型强子对撞机中比在相对论重离子对撞机中更加微弱，这使它很难聚集奇异物质。因此在大型强子对撞机内产生奇异微子的可能性，比在相