大型强子对撞器

《大型强子对撞器》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、大型强子对撞器（LargeHadronCollider，简称LHC）是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERN的对撞型粒子加速器，作为国际高能物理学研究之用。LHC已经建造完成，2008年9月10日开始试运转，并且成功地维持了两质子束在轨道中运行，成为世界上最大的粒子加速器设施。LHC是一个国际合作计划，由全球85国中的多个大学与研究机构，超过八千位物理学家合作兴建。LHC本预计于2008年10月21日开始进行低能量对撞实验。但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

2、发生了严重的泄漏，据推测是由于联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，因此必须延迟开始运作的时间。2009年11月23日，LHC进行了在修复完成后的第一次试撞。【设计】LHC是在一个圆周为27公里的圆形隧道内，该隧道因当地地形的起伏而位于地下约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

3、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，主要的部份大半位于法国。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。由于须维持前所未有高能量的粒子运行，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，另有安装其他的二极偏向磁铁及四极聚焦磁铁。两个对撞加速管中的质子，初步将以5TeV（TeraElectronVolt

4、,兆电子伏特）的能量对撞，总撞击能量达10TeV之多。（设计目标为14TeV）每个质子环绕整个储存环的时间为89微秒。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。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奈秒，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50MeV的能量

5、，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26GeV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3.57GeV的反质子，减速到2GeV。最后超级质子同步加速器（SPS）可提升质子的能量到450GeV。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

6、（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）离子因其荷质比(电荷和质量的比值)可加速到1150TeV。由于LHC有着对工程技术上极端的挑战，安全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，而丢弃全部加速器中的粒子可相当于一个小型的爆炸。于2010年3月20日首度成功进行了粒子撞击实验,并创造了高达7万亿电子伏特的庞大能量。【

7、研究主题】物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？*为何万有引力相对于其他作用力是如此地微弱？当重子的质量被更精确的测量时，标准模型是否仍然成立？*自然界中粒子是否有相对应的“超对称”（SUSY）粒子存在着？详见阶层问题。*为何“物质”与“反物质”是不对称的？详见CP破坏。*有更高维度的空间（卡鲁扎-克莱因理论）存在吗？我们可以见到这启发弦论的现象吗？*宇宙有96%的质能是目

8、前天文学上无法观测到的暗物质与暗能量，这些的组成到底是什么？*为何重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，如每年一个月的短期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。【LHC升级计划】有提议在十年内LHC需要提升一次硬件性能。认为LHC需要作基本上硬件的修改以提升它的“亮度”（单位截面碰