世界最大对撞机LHC启动在即

• 评论0条
• 打印 | 字体:大 中 小

每秒钟发生6亿多次对撞
在整个环形加速器上，布满了约7000块磁铁，其中有少部分磁铁由中科院高能物理研究所生产并提供。据称这是中国对LHC项目的全部财力投入。相对于LHC耗资数十亿美元的经费来说，实属九牛一毛。

“日本比我们国家的投入要多得多了，这也是没有办法的事情，这受我们国家的财力限制，我们这些科研工作者只能感到惋惜。”李海波说。

这些磁铁将用液态氮气冷却到约1.9K的温度，也就相当于零下245摄氏度，这温度比远离太阳的木星还要寒冷，已经接近绝对零度，而绝对零度是人类迄今无法实现的状态。在这种温度状态下，磁铁上的线圈达到超导状态，电阻基本降低到零。这样一方面节省电能，另一方面可以给环形加速器提供持续稳定的磁场。这样的磁场可以使得质子获得其普通状态下的7000倍能量，用格雷厄姆·P·柯林斯的比喻说：“整个加速器满负荷运转时，所有粒子携带的总能量，大约相当于900辆时速100千米的小轿车所具有的总动能——如果用这些能量烧水的话，足可以冲开2000升咖啡。”

所有质子分属将近3000个束团（准确数字是2853束），每个束团约由1000亿个质子组成。然而，每个束团非常纤细，仅16微米，长度数厘米，像一根短小的蚕丝。如果要保证实验足够的“亮度”，科学家必须想方设法让这么纤细的小蚕丝沿着顺逆时针两个方向准确运行，并在4个对撞点上准确地让一根与另一根相撞，并且是依次相撞，并非齐头并进。

CERN的研究人员确信，他们能够保证每秒钟发生至少6亿次粒子对撞。每次碰撞被称为一个事例（event）。4个对撞点上安装了4个巨型探测器。据说其中最大的一个，能填满半个巴黎圣母院；最重的一个所用的铁，比埃菲尔铁塔还多。

这些巨型探测器的安装精度要求极高，一些部件必须定位在50微米的精度以内。它们将记录并测量每次对撞产生出的上千个粒子。质子是很小，但相对于另一个质子来说，却非常大。就相当于在宇宙中渺小的人类相对于另一个人来说，并不渺小。人与人之间的碰撞大多是拳头对拳头，脑袋对脑袋的碰撞，也就是说是身体部位的碰撞。所以，这些质子的碰撞也应当是质子的“部位”——夸克（quark）和胶子（gluon）之间的碰撞。

夸克和胶子是人类目前能够证明的最小粒子，那么这些最小的粒子能撞出什么更小的新粒子或者某种尚未发现的微观物理状态，并让人类对微观世界的偷窥更进一层呢？科学家希望在其中发现希格斯波色子、超对称粒子、暗物质粒子、微小黑洞……

实验不能太暗，也不能太亮
LHC在预设亮度下运行时，每个质子束团中的1000亿个质子，将只有20个与另一个质子束团的20个碰撞并产生20个事例。由于这些“小蚕丝”是依次排队碰撞，所以每二个碰撞都有间隔，但间隔仅25纳秒，所以前一事件向外喷射的粒子还来不及离开探测器外层，后一次事件就已经发生了。喷射的粒子将由探测器捕获并记录数据。但是，如果产生的粒子数量过大，或者产生一些目前人类探测器尚无法看到的新粒子，那么它们将逃逸出LHC，为以后的数据分析留下隐患。

粒子束绕环形加速器运行时，将产生3种影响实验“亮度”的效应。正如前面提到的，每束1000亿个质子中将仅有20个质子发生碰撞，剩余粒子会被反向的群的电磁力推向偏离。由于整个粒子束会绕行环形加速器4亿圈，那么，每一圈的偏离都累积起来，很可能有意外的粒子损失。

研究人员表示，如果想使粒子束中的离子不会大量意外损失，维持实验时间，粒子束密度就不能超过一个极限。

另外，由于2853束质子束团要绕行27千米的 LHC管道中以接近光速运行，而束团的碰撞一次进行。但是每一次碰撞都会影响碰撞点的原有磁场。这让下一个碰撞变得更难控制，也有可能导致粒子束的丧失。相比其他实验室，LHC的这种问题更严重，因为它因追求亮度而注入更大的粒子束。所以自然总是如此让人类无奈，你的实验不能太暗，太暗你什么都看不到，你也不能太亮，太亮就直接不让你看了。为此，CERN的工作人员选择了这个尽可能亮的2853束质子束团。

按计划，10年之后，LHC将退出历史舞台，因为一个升级计划正在酝酿之中，人们打算在LHC的基础上对它进行升级，制造出 VLHC（Very Large Hadron Collider，超大型强子碰撞机）。