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LHC LHC-简介大型强子对撞机（LHC,The Large Hadron Collider）是一台粒子加速器。它建造在位于瑞士日内瓦的欧洲粒子物理实验室 CERN(Conseil Europen pour la Recherche Nuclaire，原是欧洲粒子物理研究理事会的法语名称，后名字用在欧洲粒子物理实验室上，中文又译作欧洲核子中心)。CERN是目前世界上最大的物理实验室。LHC的建造过程几经周折，其启用时间也不断延后。LHC于2008年9月10日正启动，但于同年9月19日出现事故，暂时停机检修。根据欧洲粒子物理实验室的最新决定，LHC将于2009年9月底重新启动。 LHC将两束质子以14TeV的极高能量对撞，将超过目前在美国芝加哥费米国家实验室运行的正反质子对撞机Tevatron的能量（1.96TeV），成为全世界能量最高的强子对撞机。2008年10日9时38分(北京时间10日15时38分)，第一束质子束流被注入安装在地下100米深处27公里长环形隧道内的大型强子对撞机。第一束质子束流注入对撞机后，须逐段调整并走通对撞机的全部8段。当地时间10时25分左右，科研人员宣布第一束质子束流贯穿了整个大型强子对撞机，现场随即一片欢呼。在2008年9月19日之前，大型强子对撞机并未产生真正的高能质子碰撞。 LHC 取代了CERN原有的 LEP（大型正负电子对撞机）。它将坐落在 100m 的地下一条周长为27km的圆形隧道里。它能将两束质子加速到 7 特电子伏的能量，然后发生碰撞。在动量中心系中，质子碰撞所达到的能量将会有 14TeV。与加速正负电子的LEP不同，LHC是对质子加速，而每个质子有三个夸克组成，因此LHC是强子对撞机，它会产生巨大的强相互作用本底数据，但却可以达到较LEP更高的能量。 在向 LHC 注入之前，质子速将存放在 CERN 现有的加速器复合体 里。这是一个机器的附带装置，里面有不断增加的能量。每次将质子束注入后，出来的将具有更高能量。 LHC 必须拥有能制造 8.36 特斯拉的磁场，才能把带有7特电子伏能量的质子的轨道弯曲成环状。这就要应用超导的性质。超导性是特定物质的一种性质，在极低的温度下它们的电阻会消失。LHC 将会在比室温低 300 度的环境下工作（甚至比外太空更冷！）。LHC 的实验使用最高科技的加速器、超导电磁铁等。1296 块超导电磁铁和超过 2500 块的其它磁铁将引导质子束的运行方向和使它们产生碰撞。它们之中有各种各样的磁铁，有大的，小的，有超导电的，调焦的，还有四极的。当 LHC 竣工以后，它将会是世界上最大的超导电设备。 五项实验都配有检电器。它们将质子束碰撞时的信息记录下来并传送给我们。它们将处理比现在整个欧洲通讯网络信息量还大的数据。 LHC-建造背景粒子物理的研究代表了科学研究全球化的趋势，已经形成一套成熟的国际合作机制。粒子物理代表了人类所追求科学理解世界的最尖端的基础研究，这种研究在可预见的时期内不会产生商业上的利益，与此同时，研究能量范围越来越高，实验设备的规模越来越大，建造和维护实验设备所需要的技术、资金、人力、物力，远非某一个国家所能够承受，即使经济实力最为强大的美国也无法独自承受。因此各国科学家必须、也只能联合起来进行。 上世纪90年代，美国科学家曾雄心勃勃策划建造“超级超导对撞机”，初期投资预计40亿美元，粒子反应通道直径达3米，长度20多公里，实现质子对撞能量达40T电子伏特（1T=10）。倡导者认为一旦建成可与1969年人类登月壮举相媲美。但随着建设进展，预算不断攀升，预计高达93亿美元，使得美国国会怀疑投资的价值，虽然科学家一直在为之奔走，但这项工程还是在投资20多亿美元之后黯然下马。 LHC由30多个国家的科学家共同建造和维护的，包括欧洲20个CERN成员国，美国、日本、俄罗斯等6个观察国，以及加拿大、中国等参与国，LHC的成功，是科学家的智力投入和资金投入的国际化合作的结果。 参与LHC计划的科学家有上万名，来自全球500多所科研机构和工业公司。CERN成员国投入60亿瑞士克朗，另外有10%投资来自其他国家。 中国科学院高能物理研究所、北京大学、清华大学、中国科学技术大学、山东大学、南京大学等多家单位参与了LHC 4个实验的国际合作。CMS探测器端盖上的缪子探测器，有1/3由高能物理所建造，其余部分由美国和俄罗斯完成，再组装在一起。中国科学家参与了CMS和ATLAS探测器的建造和安装，还将参与探测器运行和数据分析工作。 右图为山东大学制造的ATLAS端盖缪触发探测器TGC LHC-工作原理大型强子对撞机（LHC）位于日内瓦郊区跨越瑞士和法国国境的一条直径8.66公里，周长27公里的环形隧道中，这条隧道原是1989年为大型正负电子对撞机 为大型强子对撞机安装磁心（LEP）建造的，随着LHC的上马，LEP随之停止运行。隧道建设在地下的岩层中，深度为50175米。 LHC将使相向运动的两束质子流或者两束铅离子流迎头碰撞。这两束粒子从CERN现有的加速器中产生，在能量达到0.45TeV时注入LHC轨道，在超导磁体的磁场约束下进行循环加速，并逐渐约束为头发丝粗细的“银针”。轨道中将会包含近3000束粒子流，每个束流包括多达1亿个粒子。由于粒子非常小，它们碰撞的机会是非常渺茫的，束流相遇时，每两亿个粒子中可能会发生20次碰撞，不过，这些束流每秒钟会相遇3000万次，所以LHC中每秒会发生6亿次碰撞。 碰撞时每个粒子的能量将会达到7TeV（万亿电子伏特），1TeV相当于一只蚊子飞行的能量，但质子只是蚊子的千亿分之一1。两个质子迎头相撞时碰撞能量为14TeV，铅粒子中有更多的质子，碰撞能量可以达到1150TeV。 约束LHC粒子运动的磁场是由超低温超导磁铁产生的，超导铌-钛磁铁的温度必须维持在1.9K（-271）。磁场的单位为特斯拉（一位磁学科学家的名字），常见的普通磁铁只能产生不到万分之一特斯拉的磁场，常温下最好的磁铁也只能达到2特斯拉，LHC的超导磁场可以达到8特斯拉。这样的磁铁大约有7000块2。 LHC-数据分析大型强子对撞机（LHC）包括4个大型探测器对这些碰撞进行观测，它们分别被称为ALICE、ATLAS（ALICE爱丽丝是著名的童话人物，ATLAS阿特拉斯则是希腊神话中扛天球的提坦神，给项目或者仪器起个工整而有内涵的名字显露出了严肃科学家们的孩子气）、CMS和LHCb。 每秒6亿次的碰撞将会产生海量数据。每次碰撞产生大约1MB，两秒钟就会达到10亿MB，如果用最新高密度CD来记录，每年所需的CD叠在一起将长达20公里。这样的数据处理起来是相当棘手的。LHC探测器系统拥有多级触发装置，每级触发会根据一些独立要素跳出其中最有价值的事例，供下一级进行挑选。高级触发系统每秒钟筛选出100个事件，上传给LHC计算网格（LHC Computing Grid）的集线中心。网格系统能够综合利用网络上的计算处理能力。LHC的用户只需要登录网络就可以利用网格处理能力进行数据分析。 LHC的计算网格分为好几层。第零层就设在CERN，由不断增加的最新最强的计算机组成网络。第零层将数据分配给12个第一层计算中心，其中一个设在CERN，其余的设在美国、加拿大、欧洲、亚洲等地的研究中心。也就是数据实际上有两个备份，一个是集中的，另一个是分散的。 各大学和研究所的小型计算中心构成，这些中心的计算机将为整个网络上的数据分析提供分布式处理能力。实际上，现在我们所使用的互联网（World Wide Web，万维网）就是CERN的专家蒂姆伯纳斯-李为了让世界各地的物理学家能够高效的交换和共享信息发明的。这项发明无偿捐献给全人类使用，粒子物理学家常开玩笑说，如果伯纳斯-李跟比尔盖茨一样收取专利费的话，全世界的粒子物理研究就不愁经费了。 LHC-的使命因为我们现在对宇宙的认识还不完整，在过去一个世纪中，众多物理学家的理论和发现揭示了粒子与力的标准模型这一个描述物质基本结构的图景。在现在，标准模型已经被广泛验证，并被应用于解释并预言广泛的物理现象。不断重复的精确实验出来的结果与标准模型的预言精确匹配。不过，由于它还留下了很多未解之谜，所以，故事远未完结。 在这些疑惑当中，最令人困惑的是： 1：为什么基本粒子会有各自不同的质量呢？由于我们对这个如此简单的观念的理解如此的少，所以这个问题实在引人注目。这个问题的答案可能就是标准模型中一个叫“希格斯机制”的思想。根据这个思想，整个空间被一个所谓的“希格斯场”所充满，粒子通过与这个场相互作用而获得质量。与希格斯场相互作用强的质量就大，反之质量就小。这个希格斯场至少联系一个新的粒子，我们叫它希格斯玻色子。如果这样的粒子存在的话，LHC 就可以探测到它。 2：另一个疑问是关于四种力为何存在的。当宇宙诞生不久，还没变冷的时候，可能四种力的行为是一样的。粒子物理学家希望找到一个单一的理论体系来证明它，现在已经有了一定的进展。在19 世纪70 年代，电磁力和弱力已经被统一为一个单一的理论。几年以后，这个理论被一场在 CERN 举行的、后来获得诺贝尔奖的实验所证实。但是，四种力中强度最弱的引力和强度最强的强力还是水火不相容。力的统一暗示的一个流行的观点就是超对称（简称SUSY）。超对称预言，每一个已知粒子都有它的超对称“伙伴”。如果超对称是正确的，那么这些超对称粒子应该会在LHC中被找到。 3：反物质给我们出了另一个谜，LHC 能够帮助我们解答它。我们曾经一度认为反物质是物质的完美镜像。如果你将物质替换成反物质，然后在镜子中观看结果，你不会察觉与正常的有何不同。现在我们知道，这种镜像是不完美的，这就导致了物质与反物质之间的不平衡。LHC 会成为一个很好的“反物质镜子”，能让我们用至今最严酷的实验来检验标准模型。 这只是LHC能够回答的部分问题。历史证明，最伟大的科学进步往往是无法预料的。尽管我们有一个建造LHC的绝佳理由，但自然总是出人意料的。 有一件事是确定的，就是LHC会改变我们对宇宙的看法。 寻找“上帝粒子” LHC的目标之一是要寻找希格斯粒子。 物理学中，有一个关于”统一”的传说：一个”标准模型”曾给出了自然界中弱相互作用和电磁相互作用的统一描述，一切都很完美。这个模型演绎出来的结果与我们真实世界唯一的不同只是：那里的一切都没有”质量”。研究者纷纷怀疑：那不是我们世界的模型。直到1974年，希格斯引入了一个很小的修正：希格斯场。在他的设想中，希格斯（Higgs）粒子，也就是希格斯场的量子化激发，赋予了万物质量。大家称这种粒子为”上帝粒子”它点石成金地拯救了一个模型，让我们这个世界变得可以自圆其说。但至今为止，没人见过这种粒子，借助LHC，我们希望见到它。 这一次，希格斯粒子会被找到吗？希格斯很期待，却有些人不太期待。坐在轮椅上写出了时间简史的霍金拿出100美元赌”我们找不到希格斯玻色子”，他说：”如果我们发现不了希格斯玻色子，将更让人兴奋。那将说明某些事情可能错了，我们需要再次思考。” LHC-的运转由于需要同时对两束粒子进行加速，LHC 实际上是一台“二合一”的机器。它将会包括被包裹在同一个套子和低温保持器里边的两套超导磁铁隧道（环）。这种独特的构造不但节省空间，而且帮我们节约了经费的25%！ 两个环会被超级质子同步加速器(SPS)送出的预加速到 0.45 特电子伏的质子所充满 ，然后将这些质子加速到接近光速，拥有7 特电子伏的能量。我们所说的“质子束”实际上是连续的许多被压缩的质子群。这两个 LHC 的粒子束会有 2853 个含有 1001 个粒子的群组成。一旦能量达到 7 特电子伏，两束粒子束会进行长达几小时的反向绕行。在这段时间里边，粒子会在 LHC 中作 4 亿次绕行。这真的是一个天文数字。在每一圈，粒子束会被强迫在指定的、放有探测器的地点碰撞。在10 小时以后，粒子束会丧失大部分能量，所以 LHC 必须重新清空并注入粒子。 LHC-技术挑战重要参数 在 LHC 中，质子碰撞所产生的能量可以达到 14 特电子伏特，是以往的加速器的 10 倍。但是，仅仅只有能量是远远不够的。如果要想保证一个有效的实验，比如说完成 LHC 所计划的探索，还需要考虑一个很重要的参数：亮度。 碰撞的亮度是与每秒钟碰撞次数成正比的。然而，在以往的加速器中的碰撞亮度最多达到 L = 1032cm-2 s-1 ，在 LHC 亮度可以达到 L = 1034cm-2 s-1 。在每个环中注入 2835 群含有 1011 个粒子就可以达到这一点。这种前所未有的能量和亮度给设计与运行带来了严酷的考验。 干扰效应当粒子正在环行 4 亿圈时，有几种效应会使粒子束变弱，亮度变暗。让我们来看一下几个主要问题，以及 CERN 的科学家如何试着解决它们。 粒子束效应 当两群粒子在一个物理探测器中间相遇时，只有一小部分的粒子会迎头相撞，产生我们想要的结果。其他粒子会被反向的群的电磁力推偏离。这种偏离，对密集的粒子群效应更大。如果在每一圈的偏离都累积起来，很可能会导致意外的粒子损失。这种粒子束效应已经在以前的加速器中被研究过。实验表明，我们如果想使粒子束保存实验所需的更长的时间，粒子束的密度就不能超过一个极限。为了达到我们想要的亮度，LHC 需要尽可能地靠近这个极限。 集体不稳定性 当在 27 千米的 LHC 管道中以接近光速运行时，每一个质子群都会留下一个影响下一群粒子的电磁场。这可能会导致粒子束的丧失。这种集体不稳定性在 LHC 中会变得更严重，因为为了达到更高的亮度，我们需要更大的粒子束。仔细地控制在粒子束周围的元素的电磁属性与利用改进了的反馈系统可以将这种效应减到最低。 混沌运动 除了已经提到的粒子束效应以外，引导以及聚焦的电磁场如果稍微与线性预定有偏离的话，会导致粒子束有混沌效应。这样的话，在许多次环行后，粒子可能会丢失。 在 LHC 中，粒子注入能量中，不完美的电磁场产生的不稳定效应更为明显，因为缺陷的程度更大，粒子束占据环绕横截面的一个更大的部分。 解决它有两种途径： 1、我们必须估计动态孔（在要求时间内粒子束能保持稳定的环绕横截面部分）的大小，保证它比注入的粒子束横截面更大，并留下一道足够安全的边沿。 2、直到现在，还没有一个理论能充分精确地预言在非线性场中粒子束的长期行为。所以，我们用计算机模拟追踪数以百计的粒子一步步穿过 LHC 的磁铁上百万圈。模拟结果被用来确定在设计以及制造中电磁铁质量的可以容忍的偏差。 熄灭不管怎么细心，粒子束的寿命不会是无限的。也就是说，一部分粒子会散射到管壁并且丢失。在这种情况下，粒子的能量会在周围的金属材料中转化成热，又可能会导致需要低温的超导电磁铁“熄灭”。在 LHC 中 9300个超导磁铁的任一个的熄灭，都会使机器的运行中断几个小时。为了避免这样的事情，一个瞄准系统会在不稳定的粒子碰到管壁之前捕获它们，从而限制在远离超导电磁铁的隔离区域内的损失。为了设计更有效的控制系统，安全工程师们正在用先进的电脑程序去研究耦合的磁铁受一次“熄灭”产生的热量的影响的分析。 最新消息（2009年11月21日）欧洲大型强子对撞机重新启动 新华网日内瓦月日电（记者 杨京德）欧洲