大型質(zhì)子對撞機

1994年，大型強子對撞機項目立項后，埃文斯理所當然地就成為了這個耗資百億美元的項目的負責人。對撞機從設(shè)計到建造，都由他全權(quán)負責。14年后，在瑞士和法國交界地區(qū)地下100米深處的周長為27公里的環(huán)形隧道里，埃文斯和全球80多個國家近萬名科學家的心血結(jié)晶——大型強子對撞機正式建成。

在2005年10月25日，因為起重機載貨的意外掉落，造成一位技術(shù)人員的喪生。

2007年3月27日，由費米實驗室所負責建造，一個用于 LHC 內(nèi)部的三極低溫超導磁鐵（屬于聚焦用四極磁鐵），因為支撐架的設(shè)計不良，在壓力測試時發(fā)生破損。雖然沒有造成人員的傷亡，但是卻嚴重影響了 LHC 開始運作的時程。

2008年6月15日，在埃文斯的退休儀式上，這6位主任紛紛親自出面或通過視頻向他致以敬意。他們還聯(lián)合簽署了一份文件，將大型強子對撞機以林恩·埃文斯的名字命名，并制作了一個對撞機偶極子的小模型贈送給埃文斯。

2008年9月10日，對撞機初次啟動進行測試。埃文斯將手指放在鼠標上，親自點擊啟動了首次測試。這次測試是研究人員將一個質(zhì)子束以順時針方向注入到加速器中，讓其加速到99.9998%光速的超快速度，從而使此質(zhì)子束在全長27公里的環(huán)形隧道中以每秒11245圈的速度狂飆。這一幕通過網(wǎng)絡(luò)視頻向世界進行了直播，還有300多名記者來到此實驗室目睹測試過程。

2008年9月19日，LHC，第三與第四段之間，用來冷卻超導磁鐵的液態(tài)氦，發(fā)生了嚴重的泄漏。據(jù)推測是由于聯(lián)接兩個超導磁鐵的接點接觸不良，在超導高電流的情況下融毀所造成的。依據(jù)CERN的安全條例，必需將磁鐵升回到室溫后詳細檢查才能繼續(xù)運轉(zhuǎn)，這將需要三到四周的時間。要再冷卻回運作溫度，也是得經(jīng)過三四周的時間，如此正好遇上預定的年度檢修時程，因此要開始運作將可能延遲至2009年春天。

2008年10月16日，CERN發(fā)布了關(guān)于液態(tài)氦泄漏事件的調(diào)查分析，證實了先前推測的為兩超導磁鐵間接點不良所造成的。由于安全條例確實地實行、安全設(shè)計皆有正常工作、并且替換用的零件都有庫存，預期2009年6月重啟。

2008年9月10日下午15：30正式開始運作，成為世界上最大的粒子加速器設(shè)施。

2008年9月19日，（LHC第三與第四段之間，用來冷卻超導磁鐵的液態(tài)氦，發(fā)生了嚴重的泄漏）導致對撞機暫停運轉(zhuǎn)。

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。四個主要實驗均有中國科研單位和高校參與，分別為：中科院高能物理研究所、中國科技大學、山東大學、南京大學參與ATLAS實驗；中科院高能物理研究所、北京大學參與CMS實驗；華中師范大學參與ALICE實驗；清華大學參與LHCb實驗。

大型強子對撞器，英文名稱為LHC（Large Hadron Collider）是一座位于瑞士日內(nèi)瓦近郊歐洲核子研究組織CERN的粒子加速器與對撞機，作為國際高能物理學研究之用。地理坐標為北緯46°14′00″，東經(jīng)6°03′00″46.233333333333;6.05， LHC已經(jīng)建造完成。

大型強子對撞機將是世界上最大、能量最高的粒子加速器，來自大約80個國家的7000名科學家和工程師。由40個國家建造。是一種將質(zhì)子加速對撞的高能物理設(shè)備。它是一個圓形加速器，深埋于地下100米，它的環(huán)狀隧道有 27 公里長，坐落于在瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心（又名歐洲粒子物理實驗室），橫跨法國和瑞士的邊境。

為了節(jié)省成本，物理學家們沒有開鑿一條昂貴的新隧道來容納新的對撞機，而是決定拆掉原來安置在歐洲原子核研究中心的正負電子加速器，代之以建造大型強子對撞機所需要的5萬噸設(shè)備。當兩個質(zhì)子束在環(huán)形隧道中沿著反方向運動的時候，強大的電場使它們的能量急劇增加。這些粒子每運行一圈，就會獲得更多的能量。要保持如此高能量的質(zhì)子束繼續(xù)運行需要非常強大的磁場。這么強的磁場是由冷卻到接近絕對零度的超導電磁體產(chǎn)生的。物理學家們最希望建造的是一個30公里長的機器，它能以至少5千億電子伏的能量將電子和正電子一起粉碎。

LHC是一個國際合作的計劃，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(shè)施如冷卻壓縮機，通風設(shè)備，控制電機設(shè)備，還有冷凍槽等等建構(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。

LHC加速環(huán)的四個碰撞點，分別設(shè)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。

大型強子對撞機（LHC）是歐洲粒子物理研究所(CERN）的加速器復合體的最新補充。

在這個加速器里面，2束高能粒子流在彼此相撞之前，以接近光速的速度向前傳播。這兩束粒子流分別通過不同光束管，向相反方向傳播，這兩根管子都處于超高真空狀態(tài)。一個強磁場促使它們圍繞那個加速環(huán)運行，這個強磁場是利用超導電磁石獲得的。這些超導電磁石是利用特殊電纜線制成的，它們在超導狀態(tài)下進行操作，有效傳導電流，沒有電阻消耗或能量損失。要達到這種結(jié)果，大約需要將磁體冷卻到零下271℃，這個溫度比外太空的溫度還低。由于這個原因，大部分加速器都與一個液態(tài)氦分流系統(tǒng)和其他設(shè)備相連，這個液態(tài)氦分流系統(tǒng)是用來冷卻磁體的。

大型強子對撞機利用數(shù)千個種類不同，型號各異的磁體，給該加速器周圍的粒子束指引方向。這些磁體中包括15米長的1232雙極磁體和392四極磁體，1232雙極磁體被用來彎曲粒子束，392四極磁體每個都有5到7米長，它們被用來集中粒子流。在碰撞之前，大型強子對撞機利用另一種類型的磁體“擠壓”粒子，讓它們彼此靠的更近，以增加它們成功相撞的機會。這些粒子非常小，讓它們相撞，就如同讓從相距10公里的兩地發(fā)射出來的兩根針相撞一樣。

這個加速器、它的儀器和技術(shù)方面的基礎(chǔ)設(shè)施的操作器，都安裝在歐洲粒子物理研究所控制中心的同一座建筑內(nèi)。在這里，大型強子對撞機內(nèi)的粒子流將在加速器環(huán)周圍的4個區(qū)域相撞，這4個區(qū)域與粒子探測器的位置相對應(yīng)。

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(shè)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(shè)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。

LHC也可以用來加速對撞重離子，例如鉛（Pb）離子可加速到1150 TeV。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

自從1980年“大型強子對撞機”的構(gòu)想首度出現(xiàn)以來，歷經(jīng)近30年，這一“世界上最大的機器”終于從夢想成為現(xiàn)實，即將于9月開始投入運行?，F(xiàn)擷取一些有關(guān)它的數(shù)據(jù)“之最”，記錄如下：

離子對撞機世界上最大的機器

“大型強子對撞機”不僅是世界上最大的粒子加速器，而且也是世界上最大的機器。它位于瑞士、法國邊境地區(qū)的地下100米深的環(huán)形隧道中，隧道全長26.659公里。

離子對撞機地球上最快的“軌道”

如果“開足馬力”，數(shù)以百萬計的粒子將在環(huán)形隧道內(nèi)以每秒11245圈的速度“狂飆”，約等于光速的99.99%。

離子對撞機太陽系中最“空曠”的地方

為避免粒子流與氣體分子發(fā)生碰撞，粒子流都在超高真空的“通道”內(nèi)運行，其間如同星際空間一樣“空曠”，氣壓僅為10的負13次方個標準大氣壓，比月球上的大氣壓還小10倍。

離子對撞機最熱與最冷的機器

大型強子對撞機是個既極端熱又極端冷的機器。當兩束粒子流對撞的時候，碰撞點將產(chǎn)生極端高溫，可以達到太陽中心溫度的10萬倍。而與之形成鮮明對比的是，由于采用了超流體氦冷卻等手段，對撞機中粒子運行的加速腔在工作時的溫度僅為零下271.3攝氏度（1.9開），比遙遠的太空還要冷。

離子對撞機全球最強大的超級計算機系統(tǒng)

大型強子對撞機上進行的每一個大型試驗一年所獲得的數(shù)據(jù)，可以刻滿十萬張雙層DVD。為了對這些數(shù)據(jù)進行分析，世界各地成千上萬名科學家都參與進來，他們所使用的數(shù)萬臺甚至數(shù)十萬臺計算機借助分布式計算網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)格計算）聯(lián)合在一起，這也構(gòu)成了全球最強大的超級計算機系統(tǒng)。

大型正負電子對撞機（Large Electron-Positron Collider，簡稱：LEP）是歐洲核子研究組織（CERN）的粒子加速器之一，1989年開始營運，位在瑞士和法國的邊界附近，大型正負電子對撞機的周長長達27公里，專門加速電子和正子，是目前已建成的最高能量的輕子加速器，且迄今為止還保留著粒子加速器的速度紀錄。在2000年末的時候，LEP被關(guān)停并拆解，以給在建的新的大型強子對撞機騰出軌道空間。

大型強子對撞機將兩束質(zhì)子分別加速到7TeV（7萬億電子伏特）的極高能量狀態(tài)，并使之對撞。其能量狀態(tài)可與宇宙大爆炸后不久的狀態(tài)相比。粒子物理學家將利用質(zhì)子碰撞后的產(chǎn)物探索物理現(xiàn)象，例如，尋找標準模型預言的希格斯粒子、探索超對稱、額外維等超出標準模型的新物理。

大型強子對撞機的精確周長是2.6659萬米，內(nèi)部總共有9300個磁體。大型強子對撞機不僅是世界上最大的粒子加速器，而且僅它的制冷分配系統(tǒng)（cryogenic distribution system）的八分之一，就稱得上是世界上最大的制冷機。制冷分配系統(tǒng)在充滿近60噸液態(tài)氦，將所有磁體都冷卻到零下271.3℃（1.9開氏度）前，它將先利用1.008萬噸液態(tài)氮將這些磁體的溫度降低到零下193.2℃。

自從1980年“大型強子對撞機”的構(gòu)想首度出現(xiàn)以來，歷經(jīng)近30年，這一“世界上最大的機器”終于從夢想成為現(xiàn)實，2008年9月10日已經(jīng)開始試運轉(zhuǎn)。現(xiàn)擷取一些有關(guān)它的數(shù)據(jù)“之最”，記錄如下：

⒈世界上最大的機器：“大型強子對撞機”不僅是世界上最大的粒子加速器，而且也是世界上最大的機器。它位于瑞士、法國邊境地區(qū)的地下100米深的環(huán)形隧道中，隧道全長26.659公里。

⒉地球上最快的“軌道”：如果“開足馬力”，數(shù)以百萬計的粒子將在環(huán)形隧道內(nèi)以每秒11245圈的速度“狂飆”，約等于光速的99.99%。

⒊太陽系中最“空曠”的地方：為避免粒子流與氣體分子發(fā)生碰撞，粒子流都在超高真空的“通道”內(nèi)運行，其間如同星際空間一樣“空曠”，氣壓僅為10的負13次方個標準大氣壓，比月球上的大氣壓還小10倍。

⒋最熱與最冷的機器：大型強子對撞機是個既極端熱又極端冷的機器。當兩束粒子流對撞的時候，碰撞點將產(chǎn)生極端高溫，可以達到太陽中心溫度的10萬倍。而與之形成鮮明對比的是，由于采用了超流體氦冷卻等手段，對撞機中粒子運行的加速腔在工作時的溫度僅為零下271.3℃（1.9K），比遙遠的太空還要冷。

⒌全球最強大的超級計算機系統(tǒng)：大型強子對撞機上進行的每一個大型試驗一年所獲得的數(shù)據(jù)，可以刻滿十萬張雙層DVD。為了對這些數(shù)據(jù)進行分析，世界各地成千上萬名科學家都參與進來，他們所使用的數(shù)萬臺甚至數(shù)十萬臺計算機借助分布式計算網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)格計算）聯(lián)合在一起，這也構(gòu)成了全球最強大的超級計算機系統(tǒng)。