緊湊渺子線圈

強子對撞機六大實驗

綜述

據(jù)國外媒體報道，利用大型強子對撞機（LHC）進行的6項實驗都將均在國際合作的模式下完成，這些實驗將世界各地的研究機構(gòu)的科學家聚集在一起，共同見證激動人心的一刻。每一項實驗都截然不同，這是由其使用的粒子探測器的獨特性所決定的。

兩項大規(guī)模實驗——ATLAS（超環(huán)面儀器實驗的英文縮寫，以下簡稱ATLAS）和CMS(緊湊渺子線圈實驗的英文縮寫，以下簡稱CMS) ——均建立在多用途探測器基礎之上，用于分析在加速器中撞擊時產(chǎn)生的數(shù)量龐大的粒子。兩項實驗的研究規(guī)模和研究層面均達到前所未有的程度。使用兩個單獨設計的探測器是交叉確認任何新發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。

兩項中型實驗——ALICE（大型離子對撞機實驗的英文縮寫，以下簡稱ALICE）和 LHCb(LHC底夸克實驗的英文縮寫，以下簡稱LHCb）——利用特殊的探測器，分析與特殊現(xiàn)象有關(guān)的撞擊。

另外兩項實驗——TOTEM（全截面彈性散射偵測器實驗的英文縮寫，以下簡稱TOTEM）和LHCf(LHC前行粒子實驗的英文縮寫，以下簡稱LHCf)——的規(guī)模就要小得多。它們的焦點集中在“前行粒子”（質(zhì)子或者重離子）身上。在粒子束發(fā)生碰撞時，這些粒子只是擦肩而過，而不是正面相撞。

ATLAS、CMS、ALICE和LHCb探測器安裝在4個地下巨洞，分布在大型強子對撞機周圍。TOTEM實驗用到的探測器位于CMS探測器附近，LHCf實驗用到的探測器則位于ATLAS探測器附近。

ALICE

為了進行ALICE實驗，大型強子對撞機將讓鉛離子進行對撞，在實驗室條件下重建“大爆炸”之后的宇宙初期形態(tài)。獲得的數(shù)據(jù)將允許物理學家研究夸克-膠子等離子體的性質(zhì)和狀態(tài)，這種物質(zhì)據(jù)信在“大爆炸”發(fā)生后只存在很短時間。

核子，核子周圍環(huán)繞著電子。質(zhì)子和中子都是被稱之為“膠子”的其它粒子束縛夸克形成的。這種不可思議的強大束縛意味著，獨立的夸克是永遠也不會被發(fā)現(xiàn)的。

大型強子對撞機內(nèi)上演撞擊時產(chǎn)生的高溫是太陽內(nèi)部溫度的10萬倍。物理學家希望看到的是，質(zhì)子和中子會在這種高溫條件下“熔化”，并釋放被膠子束縛的夸克。這么做將創(chuàng)造夸克-膠子等離子體，它們可能只存在于“大爆炸”之后，當時的宇宙仍處在極度高溫之下?？茖W家計劃在夸克-膠子等離子體膨脹和冷卻過程中對其進行研究，觀察它如何形成最終構(gòu)成當前宇宙物質(zhì)的粒子。

共有來自28個國家的94個研究機構(gòu)的1000多名科學家參與ALICE實驗。

ALICE探測器相關(guān)資料

尺寸：長26米，高16米，寬16米

重量：1萬公噸

位置：法國小鎮(zhèn)圣吉利斯-珀利（St Genis-Pouilly）。

ATLAS

ATLAS是大型強子對撞機兩個通用探測器中的一個。此項實驗涉及到物理學的很多領域，包括尋找希伯斯玻色子、額外維度以及構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子。與CMS的實驗目的一樣，ATLAS也將記錄與撞擊時產(chǎn)生的粒子有關(guān)的類似數(shù)據(jù)，即它們的路徑、能量以及特性等等。雖然實驗目的相同，但ATLAS和CMS探測器的磁鐵系統(tǒng)卻采用了完全不同的技術(shù)和設計。

ATLAS探測器巨大的圓環(huán)形磁鐵系統(tǒng)是它的主要特征。這一系統(tǒng)由8個25米長的超導磁鐵線圈組成。磁鐵線圈分布在貫穿探測器中心的粒子束管周圍，形成一個“圓筒”。實驗過程中，磁場將被包含在線圈分離出的中央柱形空間內(nèi)。

共有來自37個國家的159個研究機構(gòu)的1700多名科學家參與ATLAS實驗。

ATLAS探測器相關(guān)資料

尺寸：長46米，高25米，寬25米，是迄今為止制造的個頭最大的粒子探測器。

重量：7000公噸

位置：瑞士梅林(Meyrin)

CMS

CMS實驗利用一個通用探測器，對物理學的很多領域進行研究，包括尋找希伯斯玻色子、額外維度以及構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子。雖然實驗目的與ATLAS相同，但這個探測器的磁鐵系統(tǒng)卻采用了完全不同的技術(shù)和設計。

CMS探測器是在一個巨型螺管式磁鐵基礎上建成的。它采用圓柱形超導電纜線圈，可產(chǎn)生4特斯拉的磁場，相當于地球磁場的10萬倍。這個巨大磁場受一個“鐵軛”限制——探測器1.25萬公噸的重量大部分來自“鐵軛”。與大型強子對撞機的其它巨型探測器有所不同的是，CMS探測器并不是在地下建造，而是選在地上，后分成15個部分被運至地下，最后完成組裝，這也算得上它的一大特色。

共有來自37個國家的155個研究機構(gòu)的2000多名科學家參與CMS實驗。

CMS探測器相關(guān)資料

尺寸：長21米，寬15米，高15米

重量：1.25萬公噸

位置：法國塞希（Cessy）。

LHC底夸克

LHCb實驗將有助于我們理解人類為何生活在一個幾乎完全由物質(zhì)而非反物質(zhì)構(gòu)成的宇宙。它通過研究一種稱為“美夸克”（beauty quark）的粒子，專門對物質(zhì)和反物質(zhì)之間的微妙差異展開調(diào)查。LHCb實驗不是將整個撞擊點同密封探測器圍起來，而是使用一系列子探測器去主要探測前行粒子（forward particle）。

第一個子探測器將安裝到撞擊點附近，而接下來的幾個將會一個挨一個安裝，它們的長度都超過20米。大型強子對撞機將創(chuàng)造出大量不同類型的夸克，然后它們將快速蛻變?yōu)槠渌愋?。為捕捉到“美夸克”，LHCb項目小組已開發(fā)出先進的可移動跟蹤探測器，并安裝在圍繞于大型強子對撞機周圍的光束路徑附近。LHCb項目小組由來自13個國家48所研究機構(gòu)的650位科學家組成。

LHC底夸克探測器相關(guān)資料

尺寸：長21米，高10米，寬13米

重量：5600噸

設計：具有平面探測器的前向接受譜儀

地點：法國費爾奈-伏爾泰

全截面彈性散射

全截面彈性散射探測器實驗研究前行粒子，以重點分析普通實驗難以獲得的物理學原理。在一系列研究中，它將測量質(zhì)子大小，還將準確監(jiān)控大型強子對撞機的光度。想要做到這一點，全截面彈性散射探測器就必須要捕捉到距大型強子對撞機光束非常近的距離產(chǎn)生的粒子。它由一組安放在稱為“羅馬罐”（Roman pot）的特制真空室的探測器組成。

“羅馬罐”同大型強子對撞機的光束管道相連。8個“羅馬罐”將被一對一對地置于CMS實驗撞擊點附近的四個地點。盡管從科學意義上講這兩次實驗是獨立的，但TOTEM實驗將是CMS探測器和其他大型強子對撞機實驗所獲結(jié)果的有力補充。來自8個國家10所研究機構(gòu)的50位科學家將參與TOTEM實驗。

全截面彈性散射探測器相關(guān)資料

尺寸：長440米，高5米，寬5米

重量：20噸

設計：“羅馬罐”，GEM探測器和陰極條感應室

地點：法國塞斯（位于CMS附近）

LHCf

LHCf實驗將用于研究大型強子對撞機內(nèi)部產(chǎn)生的前行粒子，作為在實驗室環(huán)境下模擬宇宙射線的來源。宇宙射線是自然產(chǎn)生于外太空的帶電粒子，不斷轟擊地球大氣層。它們在高層大氣與核子相撞，產(chǎn)生一連串到達地面的粒子。研究大型強子對撞機內(nèi)部撞擊如何引起類似的粒子串有助于科學家解釋和校準大規(guī)模宇宙射線實驗，這種實驗會覆蓋數(shù)千公里的范圍。來自4個國家10所研究機構(gòu)的22位科學家將參與LHCf實驗。

LHCf 探測器相關(guān)資料

尺寸：兩個探測器，每個長30厘米，高80厘米，寬13厘米

重量：每個重40公斤

地點：瑞士梅林（位于ATLAS附近）

強子對撞機LHC計劃

LHC計劃，由34個國家超過兩千位物理學家所屬的大學與實驗室所共同出資合作興建的。

LHC包含了一個圓周為27公里的圓形隧道，因當?shù)氐匦蔚木壒饰挥诘叵?0至150米之間。這是先前大型電子正子加速器（LEP）所使用隧道的再利用，隧道本身直徑三米，位于同一平面上，并貫穿瑞士與法國邊境，主要的部分大半位于法國。雖然隧道本身位于地底下，尚有許多地面設施如冷卻壓縮機，通風設備，控制電機設備，還有冷凍槽等建構(gòu)于其上。

加速器通道中，主要是放置兩個質(zhì)子束管。加速管由超導磁鐵所包覆，以液態(tài)氦來冷卻。管中的質(zhì)子是以相反的方向，環(huán)繞著整個環(huán)型加速器運行。除此之外，在四個實驗碰撞點附近，另有安裝其他的偏向磁鐵及聚焦磁鐵。

兩個對撞加速管中的質(zhì)子，各具有的能量為 7 TeV （兆兆電子伏特，），總撞擊能量達 14 TeV之譜。每個質(zhì)子環(huán)繞整個儲存環(huán)的時間為 89 微秒 (microsecond）。因為同步加速器的特性，加速管中的粒子是以粒子團（bunch）的形式，而非連續(xù)的粒子流。整個儲存環(huán)將會有2800個粒子團，最短碰撞周期為 25 納秒（nanosecond）。在加速器開始運作的初期，將會以軌道中放入較少的粒子團的方式運作，碰撞周期為 75 納秒，再逐步提升到設計目標。

在粒子入射到主加速環(huán)之前，會先經(jīng)過一系列加速設施，逐級提升能量。其中，由兩個直線加速器所構(gòu)成的質(zhì)子同步加速器 (PS）將產(chǎn)生50 MeV的能量，接著質(zhì)子同步推進器 (PSB）提升能量到1.4GeV。而質(zhì)子同步加速環(huán)可達到26 GeV的能量。低能量入射環(huán)（LEIR）為一離子儲存與冷卻的裝置。反物質(zhì)減速器 (AD）可以將3.57 GeV的反質(zhì)子，減速到2 GeV。最后超級質(zhì)子同步加速器(SPS）可提升質(zhì)子的能量到450 GeV。

60余名中國科學家（其中近四十人為臺灣科學家）參與強子對撞機實驗。在LHC加速環(huán)的四個碰撞點，分別設有五個偵測器在碰撞點的地穴中。其中超環(huán)面儀器 (ATLAS）與緊湊渺子線圈(CMS）是通用型的粒子偵測器。其他三個（LHC底夸克偵測器（LHCb），大型離子對撞器（ALICE）以及全截面彈性散射偵測器（TOTEM）則是較小型的特殊目標偵測器?！HC也可以用來加速對撞重離子，例如 鉛(Pb）離子可加速到1150 TeV?！∮捎贚HC有著對工程技術(shù)上極端的挑戰(zhàn)，安全上的確保是極其重要的。當LHC開始運作時，磁鐵中的總能量高達100億焦耳（GJ），而粒子束中的總能量也高達725百萬焦耳(MJ）。只需要10"_blank" href="/item/超導磁鐵/9075537" data-lemmaid="9075537">超導磁鐵脫離超導態(tài)，而丟棄全部的加速粒子可相當于一個小型的爆炸。

加速器通道中，主要是放置兩個質(zhì)子束管。加速管由超導磁鐵所包覆，以液態(tài)氦來冷卻。管中的質(zhì)子是以相反的方向，環(huán)繞著整個環(huán)型加速器運行。除此之外，在四個實驗碰撞點附近，另有安裝其他的偏向磁鐵及聚焦磁鐵。

地球上最大的“粒子粉碎機”一路走來可謂多災多難，現(xiàn)在又遇到了麻煩。兩位美國公民對歐洲大型強子對撞機計劃（LHC）提出了公訴，要求推遲這一“粒子粉碎機”開動的時間。他們聲稱，LHC可能產(chǎn)生危險的粒子或者微型黑洞，從而毀滅整個地球。

建造在瑞士歐洲粒子物理中心（CERN）的LHC眼看就要完工了，科學家希望它能開始運行。然而，3月21日，居住在夏威夷的Luis Sancho和Walter Wagner針對CERN和美國一些科研機構(gòu)，向美國聯(lián)邦地方法院提出了訴訟，要求在安全性得到證實之前，不啟動LHC對撞計劃。他們點名的美國科研機構(gòu)包括能源部、國家自然科學基金會和芝加哥附近的費米實驗室。

美國能源部和費米實驗室不會對此發(fā)表評論，它們堅持認為這是一項應由司法部處理的法律案件。而CERN的一位發(fā)言人James Gillies則表示，這項訴訟要求是“徹底的胡說”。“LHC將在今年啟動，并創(chuàng)造出各種關(guān)于宇宙的激動人心的新物理學認識?！彼a充道,“從現(xiàn)在開始一年之后，世界還在那里?！?

LHC將把質(zhì)子加速到具有巨大的能量并進行對撞“粉碎”，從而模擬大爆炸后不足十億分之一秒的情況。物理學家希望借此來解開長期以來的重大和基本難題，比如粒子為何存在質(zhì)量（即驗證希格斯玻色子）、空間是否隱藏著額外的維度等等

強子對撞機高能量對撞

歐洲大型強子對撞機在能量升級后進行了對撞實驗，科學家使用了最高能量進行對撞，目前強子對撞機已經(jīng)達到能夠模擬宇宙誕生的狀態(tài)（曾經(jīng)有人一度擔心這個巨大的機器會制造出黑洞吞噬地球）。這些數(shù)據(jù)被對撞機四個探測器收集，并記錄這一奇跡的誕生。在最新的一次對撞實驗中，科學家使用1045萬億電子伏特的能量作用于鉛離子，這是以往能量的兩倍，實驗等效溫度達到數(shù)萬億度。達到宇宙大爆炸時期的模擬溫度，重現(xiàn)137億年前的宇宙誕生。

大型強子對撞機的科學家認為這是對撞機能量升級后的一次突破，在對撞實驗中，我們進入了探索宇宙早期物質(zhì)的階段。當宇宙大爆炸發(fā)生后，宇宙中的溫度極高、密度極大，此時的宇宙就像沉浸在一種粒子湯中。這時宇宙粒子主要由夸克和膠子組成，之后逐漸形成了質(zhì)子和中子。研究宇宙早期狀態(tài)有助于我們解決宇宙演化的基本問題，歐洲核子研究中心總干事Rolf Heur指出，我們渴望最高能量對撞產(chǎn)生的極端環(huán)境，模擬宇宙大爆炸誕生。

宇宙大爆炸之后的1秒鐘內(nèi)，粒子環(huán)境變化非?？?，夸克-膠子等離子體的存在時間僅為百萬分之一秒，正式這一瞬間的變化，為宇宙質(zhì)子和中子的形成奠定了基礎。科學家下一步會繼續(xù)增強鉛離子的對撞能量，觀察宇宙大爆炸后會出現(xiàn)何種變化，這些變化對生命的誕生有何積極的意義。這無疑是一個激動人心的時刻，我們有能力對早期的宇宙進行研究。

大型強子對撞機在兩年前進入能量升級，這是目前世界上最強大的粒子加速器，升級后能量提升了近兩倍，科學家正在向新物理學方向前進，我們有望發(fā)現(xiàn)隱藏的維度和暗物質(zhì)奧秘。目前宇宙學仍然存在許多未解之謎，其中時空維度、暗物質(zhì)、暗能量都是未知的。這臺強子對撞機將為我們帶來更多驚喜。

強子對撞機迷你爆炸實驗

歐洲對撞機實現(xiàn)迷你宇宙大爆炸

創(chuàng)10萬億度高溫2010年11月09日 09:42 新浪科技 消息，據(jù)《獨立報》報道，科學家借助歐洲大型強子對撞機（LHC）成功完成了創(chuàng)造迷你版“宇宙大爆炸”的實驗，產(chǎn)生了一個溫度為太陽核心溫度100萬倍的火球。參與這個項目的英國科學家熱烈慶祝了這個具有里程碑意義的實驗?！〈笮蛷娮訉ψ矙C創(chuàng)造了一個迷你版本的“宇宙大爆炸”。參與大型強子對撞機項目ALICE鉛離子對撞實驗的英國科學家都在慶祝對撞實驗取得成功，這將開啟粒子物理學研究的新世紀?！懊阅愦蟊ā笔峭ㄟ^令鉛離子高速撞擊產(chǎn)生的，撞擊產(chǎn)生的溫度是太陽核心溫度的100萬倍，重現(xiàn)了大爆炸后宇宙的瞬間狀況。

ALICE離子對撞實驗項目英國小組成員、伯明翰大學物理學家戴維·埃文斯博士說：“我們對這一成就激動萬分。對撞實驗產(chǎn)生了迷你版本的宇宙大爆炸以及在實驗中取得的有史以來的最高溫度和密度。這個過程發(fā)生在一個安全、可控的環(huán)境內(nèi)，生成了熾熱和稠密的亞原子火球，溫度超過10萬億度，即太陽核心溫度的100萬倍。在這一溫度下，連構(gòu)成原子核的質(zhì)子和中子也被融化了，產(chǎn)生稱為‘夸克與膠子等離子體’的熾熱而稠密的夸克與膠子湯?！?

強大的磁體令鉛離子以接近于光速的速度在地下數(shù)百英里的隧道內(nèi)高速運轉(zhuǎn)。鉛離子以相反的兩個方面飛行，最后聚焦變成一個狹長的光束，被迫在ALICE探測器內(nèi)撞擊?？茖W家希望，通過夸克與膠子等離子體，可以讓他們對強作用力有更多的了解。強作用力是自然界存在的四種基本作用力之一。

埃文斯說：“強作用力不僅使原子核牢牢地綁定在一起，而且還對它們98%的質(zhì)量負責。我現(xiàn)在期待著研究大爆炸發(fā)生后瞬間構(gòu)成宇宙的一小部分物質(zhì)?！盇LICE探測器是大型強子對撞機的組成部分。大型強子對撞機是世界上最大、能量最高的粒子加速器，旨在探究宇宙起源，它建在法國與瑞士邊境地下一條16.7 英里（約合27公里)長的環(huán)形隧道內(nèi)，由歐洲核子研究中心（Cern）負責管理。

在LHC加速環(huán)的四個碰撞點，分別設有五個偵測器在碰撞點的地穴中。其中超環(huán)面儀器(ATLAS)與緊湊渺子線圈(CMS)是通用型的粒子偵測器。其他三個(LHC底夸克偵測器(LHCb),大型離子對撞器(ALICE)以及全截面彈性散射偵測器(TOTEM)則是較小型的特殊目標偵測器。

由于LHC有著對工程技術(shù)上極端的挑戰(zhàn)，安全上的確保是極其重要的。當LHC開始運作時，磁鐵中的總能量高達100億焦耳(GJ)，而粒子束中的總能量也高達725百萬焦耳(MJ)。只需要10