大型强子对撞机LHC

1、大型强子对撞机大型强子对撞机LHC题题 目：大型强子对撞机目：大型强子对撞机LHC指导教师：指导教师：X课程名称：科学方法与思考课程名称：科学方法与思考小小 组：组：X 组组 长：长：X班班 级：级：X科学方法与思考科学方法与思考一、一、LHC简介简介 二、设备结构二、设备结构 三、工作原理三、工作原理 四、研究课题四、研究课题 五、五、LHC的科学实验的科学实验 六、六、LHC的成果的成果 一、一、LHC简介简介 欧洲大型强子对撞机是现在世界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，一种将质子加速对撞的高能物

2、理设备，英文名称为英文名称为LHC(Large Hadron Collider)。一、一、LHCLHC简介简介地点：地点： 大型强子对撞机坐落于日内瓦大型强子对撞机坐落于日内瓦附近瑞士和法国的交界侏罗山地下附近瑞士和法国的交界侏罗山地下100米深，总长米深，总长17英里（含英里（含17英里）英里）的环形隧道内。的环形隧道内。一、一、LHCLHC简介简介 LHC于于1994年正式立项开始修建，年正式立项开始修建，在北京时间在北京时间2008年年9月月10日下午日下午15：30正式开始运作。正式开始运作。一、一、LHCLHC简介简介 大型强子对撞机大型强子对撞机LHC的精确周长是的精确周长是2.6

3、659万米，内部总共有万米，内部总共有9300个磁体。个磁体。不仅大型强子对撞机是世界上最大的不仅大型强子对撞机是世界上最大的粒子加速器。粒子加速器。二、设备结构二、设备结构 LHC包含了一个圆周为包含了一个圆周为27公里的圆形公里的圆形隧道，是先前的大型电子正子加速器隧道，是先前的大型电子正子加速器（LEP）所使用隧道的再利用，隧道本身）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。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，尚有许多地面虽然隧道本身位于地底下，尚有许多地面设施如冷却压缩

4、机，通风设备，控制电机设施如冷却压缩机，通风设备，控制电机设备，还有冷冻槽等等建构于其上。设备，还有冷冻槽等等建构于其上。二、设备结构二、设备结构 加速器通道中，主要是放置两个加速器通道中，主要是放置两个质子束管。加速管由超导磁铁所包覆，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近，另有安装其他的偏向磁铁及聚焦磁铁。磁铁。二、设备结构二、设备结构 LHC 共有共有4 个对撞点，各放

5、置一个高个对撞点，各放置一个高分辨率的大型探测器来探测对撞后产生的分辨率的大型探测器来探测对撞后产生的粒子，这粒子，这4 个探测器分别是个探测器分别是: ALICE，LHCb，CMS以及以及ATLAS。二、设备结构二、设备结构 CMS 和和ATLAS 是两个最大的合作组，是两个最大的合作组，是是LHC 物理研究的主体，主要目标是探索物理研究的主体，主要目标是探索质量的起源以及新物理规律质量的起源以及新物理规律 ALICE和和LHCb 是两个较小的合作组，是两个较小的合作组，LHCb 通过研通过研究究B 介子的衰变来探索新的介子的衰变来探索新的CP 破坏机制，破坏机制，ALICE 则着眼于研究夸

6、克则着眼于研究夸克胶子等离子体胶子等离子体的新物质形态。的新物质形态。三、工作原理三、工作原理 LHC的加速原理：的加速原理： 在粒子入射到主加速环之前，会先经过一系列加速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。质子和重离子是在离子源中产生的。设施，逐级提升能量。质子和重离子是在离子源中产生的。在质子源中，氢原子中的一个电子在电磁场的作用下被剥在质子源中，氢原子中的一个电子在电磁场的作用下被剥离而得到带一个正电荷的质子，质子束被送到一台直线加离而得到带一个正电荷的质子，质子束被送到一台直线加速器（速器（LINAC2）中，加速到）中，加速到50MeV，这时质子束的运动，这

7、时质子束的运动速度约为光速的速度约为光速的30%（0.3c），再通过束流传输线注入同），再通过束流传输线注入同步增强器步增强器PSB 中，在其中能量和速度分别达到中，在其中能量和速度分别达到1.4GeV 和和0.87c。质子束从。质子束从PSB 中引出后，又注入到质子同步加速中引出后，又注入到质子同步加速PS 中，并加速到中，并加速到26 GeV的能量。这时，质子的速度已经的能量。这时，质子的速度已经接近光速接近光速c，在加速器里的加速主要是增加束流能量。，在加速器里的加速主要是增加束流能量。三、工作原理三、工作原理 最后，超级质子同步加速器最后，超级质子同步加速器SPS 把来把来自自PS 的

8、质子束流能量提升到的质子束流能量提升到450 GeV，并，并从两个位置引出，通过两条束流传输线送从两个位置引出，通过两条束流传输线送到到LHC 的两个环中，注入、加速和对撞。的两个环中，注入、加速和对撞。当当 加加 速到速到7TeV 时，时， 质子束的速度已经达质子束的速度已经达到到0.99999999c。三、工作原理三、工作原理 重离子的情况与质子类似。所不同的重离子的情况与质子类似。所不同的是重离子来自另一台离子源，是重离子来自另一台离子源， 并在直线加并在直线加速器速器LINAC3 中加速，再送到一台低能量中加速，再送到一台低能量离子环离子环LEIR 中加速，以后的加速路径与质中加速，以

9、后的加速路径与质子相同，即子相同，即PSBPSSPSLHC。LHC 可以把来自可以把来自SPS 的两束铅离子从每核子的两束铅离子从每核子0.177TeV 加速到每个核子加速到每个核子2.76TeV 的高能的高能量，并进行对撞。量，并进行对撞。2四、研究课题四、研究课题 欧洲核子研究中心于欧洲核子研究中心于2008年年9月月10日正式启动大型强子对撞机日正式启动大型强子对撞机（LHC）。这个世界上最大的机器，）。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有望揭开宇宙起源的奥秘在内五大谜团。团。四、研究课题四、研究课题 1、什么是质量？、什么是质量？2、96%的宇宙由什么构成？的宇宙由

10、什么构成？3、为什么找不到反物质？、为什么找不到反物质？4、物质在宇宙诞生后的第一秒呈什么状态？、物质在宇宙诞生后的第一秒呈什么状态？5、空间的额外维度真的存在吗？、空间的额外维度真的存在吗？ 五、五、LHCLHC的科学实验的科学实验 利用大型强子对撞机（利用大型强子对撞机（LHC）进行的）进行的6项实验都在国际合作的模式下完成，这些项实验都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实验将世界各地的研究机构的科学家聚集在一起。每一项实验都截然不同，这是由在一起。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。其使用的粒子探测器的独特性所决定的。五、五、LH

11、CLHC的科学实验的科学实验 1、两项大规模实验、两项大规模实验ATLAS（超环（超环面仪器实验）和面仪器实验）和CMS（紧凑渺子线圈实验）（紧凑渺子线圈实验）均建立在多用途探测器基础之上，用于分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析在加速器中撞击时产生的数量庞大的粒子。子。 五、五、LHCLHC的科学实验的科学实验 2、两项中型实验、两项中型实验ALICE（大型离（大型离子对撞机实验，）和子对撞机实验，）和LHCb(LHC底夸克实底夸克实验验)利用特殊的探测器，分析与特殊现象有利用特殊的探测器，分析与特殊现象有关的撞击。关的撞击。五、五、LHCLHC的科学

12、实验的科学实验 3、另外两项实验、另外两项实验TOTEM（全截（全截面弹性散射侦测器实验）和面弹性散射侦测器实验）和LHCf(LHC前行前行粒子实验粒子实验)的焦点集中在的焦点集中在“前行粒子前行粒子”（质子（质子或者重离子）身上。在粒子束发生碰撞时，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。这些粒子只是擦肩而过，而不是正面相撞。五、五、LHCLHC的科学实验的科学实验 LHC 的设计目的之一是为了帮助科学的设计目的之一是为了帮助科学家寻找家寻找Higgs 玻色子，玻色子，Higgs 玻色子又被玻色子又被称为称为“上帝粒子上帝粒子” Higgs 玻色子是描述粒

13、玻色子是描述粒子和力相互作用的子和力相互作用的“标准模型标准模型”理论中最后理论中最后一种被发现的粒子，一种被发现的粒子，五、五、LHCLHC的科学实验的科学实验 2012 年年7 月在月在LHC 上探测到了上探测到了Higgs 粒子存在的证据，从而证实了粒子物理标粒子存在的证据，从而证实了粒子物理标准模型的正确性准模型的正确性。LHC 除了用于探测除了用于探测Higgs 粒子之外，还将产生大量的顶夸克，粒子之外，还将产生大量的顶夸克，它上面的顶夸克物理会非常丰富，被视作它上面的顶夸克物理会非常丰富，被视作T 工厂，工厂，T 夸克的特性将有望在夸克的特性将有望在LHC 上得到上得到更加充分的研

14、究更加充分的研究。此外。此外，LHC还能够帮助还能够帮助我们研究反物质以及其他新物理模型。我们研究反物质以及其他新物理模型。六、六、LHCLHC的成果的成果 1、模拟宇宙大爆炸、模拟宇宙大爆炸 2010 年年11月月, 科学家借助欧洲大型强科学家借助欧洲大型强子对撞机子对撞机L H C完成模拟宇宙大爆炸的实验完成模拟宇宙大爆炸的实验, 产生了一个温度为太阳核心温度产生了一个温度为太阳核心温度10 万倍的万倍的火球火球“而宇宙正是诞生于大约而宇宙正是诞生于大约14 0 亿年前的亿年前的大爆炸大爆炸”这个实验是有里程碑意义的实验这个实验是有里程碑意义的实验, 开启了粒子物理学研究的新纪元开启了粒子物理学研究的新纪元”。六、六、LHCLHC的成果的成果 2、 Higgs 玻色子玻色子 2013年年3月月14日，欧洲核子研究组织日，欧洲核子研究组织发布新闻稿表示，先前探测到的新粒子是发布新闻稿表示，先前探测到的新粒子是Higgs 玻色子玻色子即上帝粒子。即上帝粒子。2013年年10月月8日，诺贝尔物理学奖在瑞典揭晓，比利时日，诺贝尔物理学奖在瑞典揭晓，比利时理论物理学家弗朗索瓦理论物理学家弗朗索瓦恩格勒和英国理论恩格勒和英国理论物理学家彼得物理学家彼得希格斯因希格斯玻色子的理希格斯因希格斯玻色子的理论预言获奖。论预言获奖。六、六、LHCLHC的成果的成