欧洲大型强子对撞机

欧洲大型强子对撞机

——80国科学家联手解开宇宙大爆炸之谜

工程总投资：100亿美元

工程期限：1994年——2025年

这是晨光中的“创新球”系统。这个木质球体结构最初是为瑞士展览会Expo'02建造，直径40米，高27米。

2008年9月10日上午9时36分左右（北京时间15时36分），被称为世界规模最庞大的科学工程的欧洲大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简称LHC），在位于瑞士-法国边界的对撞机控制室正式启动。随着第一束质子束被注入，安装在地下100米深的27公里长环形隧道内的世界上最大的粒子对撞机开始运行。

大型强子对撞机（LHC）是一个国际合作的计划，最初构想从1980年首度出现，1994年开始设计建造。它由欧洲20个国家联手发起，来自80多个国家和地区的约7000名科学家和工程师参与了建设，总投资达60亿至100亿美元。作为观察国的中国参与了4个大试验的设备建造，中国科学院高能物理研究所、北京大学、清华大学、中国原子能科学研究院、中国科技大学、南京大学、山东大学、华中师范大学和华中科技大学等科研院所和高校的科研人员参加了部分实验。中国科学家可以平等地享用对撞试验产生的100%的数据。

1999年以来，中国组(中科院高能所和北京大学等高校和科研机构的科学家)承担起LHC上两个最关键的实验探测装置之一CMS端部和桶部部分u探测器阴极室和阻性板室的研制任务,目前中国组已圆满完成该任务的研究、制造、测试、安装任务,并投入到LHC试验中。

欧洲大型强子对撞机是目前世界最大的粒子加速器，它建于瑞士和法国边境地区地下100米深处的环形隧道中，隧道全长26.659公里。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，走完全程要花４个多小时。你可以将百慕大、摩纳哥和４个梵蒂冈塞进它所占的区域内。隧道内将维持在-271℃的极低温。这一温度将会出现超导现象，使得粒子在管道中几乎不受任何阻力，以至接近光速。对撞机从2003年开始建造，整个工程耗去54.6亿美元。

在一项长达10小时的实验中，粒子束的运行距离可能超过100亿公里(60亿英里)，足以在地球与海王星之间做个往返。在达到最大强度时，每一个粒子束拥有的能量相当于一辆以每小时1600公里(1000英里)行进的汽车。大型强子对撞机将消耗120兆瓦电量，相当于日内瓦所有家庭的用电量。

科学家希望，能够在对撞机前所未有的对撞能量帮助下，制造“迷你版”宇宙大爆炸之后的瞬间状况，探秘“希格斯玻色子”(Higgs boson)，“暗物质”，“暗能量”等其他未解之谜。希格斯玻色子以英国物理学家彼得·希格斯名字命名，他在44年前提出，希格斯玻色子是物质的质量之源以及电子和夸克等形成质量的基础，这种粒子给其他粒子赋予了质量，但它一直未被发现。

这台吸引了全世界物理学家目光的“巨无霸”原计划于8月份开动，但由于北京奥运会的热度，所有的电视频道都被占用，而LHC的科学家希望能够向全世界进行现场直播启动仪式，以展现现代物理学对当代社会的重要作用，因此推迟到了今天。

欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机项目主任林恩•埃万斯发布了启动命令，当质子束抵达对撞机第八段隧道的终点时，计算机屏幕上亮起两个白点，说明质子完成了大型强子对撞机整个长度的旅程。此时的项目负责人埃文斯(Lyn Evans)只说了一句话——“到了。”数百名科学家打开香槟庆祝首次运行成功。

在此次测试中，粒子束的运行方向是顺时针的，CERN还计划进行逆时针运行的测试。如果接下来几周对设备及系统运行状况的测试和评估一切正常，那么在10月中下旬，顺时针和逆时针运行的两个粒子束将进行首次对撞试验。如果一切顺利，LHC将在年底前实现两束各达5万亿电子伏特能量的质子束对撞，此能量将是以前世界纪录的5倍。按计划，质子束流明年夏天将达到7万亿电子伏特的设计能量。

大型强子对撞机位于瑞士、法国边境地下100米深的环形隧道中，隧道全长达27公里

电脑绘制的欧洲大型强子对撞机整体结构图

它有什么用途？

大型强子对撞机将两束质子分别加速到7TeV（7万亿电子伏特）的极高能量状态，并使之对撞。其能量状态可与宇宙大爆炸后不久的状态相比。粒子物理学家将利用质子碰撞后的产物探索物理现象，例如，寻找标准模型预言的希格斯粒子、探索超对称、额外维等超出标准模型的新物理。

它为什么这么大？

事实上，你应该问为什么它这么小。答案是为了节省成本。物理学家们没有开凿一条昂贵的新隧道来容纳新的对撞机，而是决定拆掉原来安置在欧洲原子核研究中心的正负电子加速器，代之以建造大型强子对撞机所需要的５万吨设备。当两个质子束在环形隧道中沿着反方向运动的时候，强大的电场使它们的能量急剧增加。这些粒子每运行一圈，就会获得更多的能量。要保持如此高能量的质子束继续运行需要非常强大的磁场。这么强的磁场是由冷却到接近绝对零度的超导电磁体产生的。

谁在为它工作？

来自大约80个国家的7000多名科学家和工程师。

意义：世界上规模最大的科学计划，将带来重大物理学发现的一个新黄金时代；

目的：揭示宇宙起源，寻找上帝粒子希格斯玻色子；

工作原理：将高度活跃的质子以超快速度撞击到一起，上演微缩版的“宇宙大爆炸”；地点：位于瑞士、法国边境地下100米深的环形隧道中，隧道全长26.659公里；

耗资：超过100亿美元

大型强子对撞机隧道内的冷磁体

工作原理：

大型强子对撞机主要由一个27公里长的超导磁体环和许多促使粒子能沿着特定方向传播的加速结构组成。

大型强子对撞机磁体高16米，长、宽均有10多米，重达1920吨。工程技术人员专门建造了一个巨型吊架，用4根粗钢缆吊住这个磁体，借助液压顶泵将磁体缓慢放入隧道。它长达27公里的环形隧道可被用来加速粒子，使其相撞，创造出与宇宙大爆炸万亿分之一秒时类似的状态。在高能物理实验中，粒子加速器和探测器是常用设备。探测器用来探测碰撞产生的微小粒子，记录粒子能量、质量等信息。强子对撞机上共有4个对撞点，各装有一个探测器，其中一个为CMS(紧凑型μ介子螺线管)探测器。

在这个加速器里面，2束高能粒子流在彼此相撞之前，以接近光速的速度向前传播。这两束粒子流分别通过不同光束管，向相反方向传播，这两根管子都处于超高真空状态。一个强磁场促使它们围绕那个加速环运行，这个强磁场是利用超导电磁石获得的。这些超导电磁石是利用特殊电缆线制成的，它们在超导状态下进行操作，有效传导电流，没有电阻消耗或能量损失。要达到这种结果，大约需要将磁体冷却到零下271摄氏度，这个温度比外太空的温度还低。由于这个原因，大部分加速器都与一个液态氦分流系统和其他设备相连，这个液态氦分流系统是用来冷却磁体的。