量子力學(xué) - 大型粒子對撞機

小組成員：量子力學(xué)——大型強子對撞機歐洲大型強子對撞機[英文名稱：LHC(LargeHadronCollider)]：

大型強子對撞機是一座位于瑞士日內(nèi)瓦近郊?xì)W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(xué)研究之用。它是世界上最大、能量最高的粒子加速器。

它是一種將質(zhì)子加速對撞的高能物理設(shè)備，此圓形加速器的環(huán)狀隧道有27公里長，深埋于地下100米，橫跨法國和瑞士的邊境。由來自大約80個國家的7000名科學(xué)家和工程師，自1994年立項開始?xì)v經(jīng)14年，共同完成這項偉大的工程，在建設(shè)過程中，也不幸有工程師和科學(xué)家因事故獻(xiàn)出自己寶貴的生命。(1)加速器通道中放置兩個質(zhì)子束管。加速管由超導(dǎo)磁鐵所包覆，以液態(tài)氦來冷卻。(2)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。(3)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。主要結(jié)構(gòu)：林恩·埃文斯——歐洲大型強子對撞機的領(lǐng)導(dǎo)者。獲得了英國斯旺西大學(xué)的物理學(xué)博士學(xué)位。1969年，他花3個月時間訪問了這一歐洲核子物理研究組織項目。從此，他和妻子以及家人就定居在這里。60余名中國科學(xué)家（其中近四十人為臺灣科學(xué)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(xué)、山東大學(xué)、南京大學(xué)參與ATLAS實驗；中科院高能物理研究所、北京大學(xué)參與CMS實驗；華中師范大學(xué)參與ALICE實驗；清華大學(xué)參與LHCb實驗。技術(shù)原理：

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，這兩根管道都處于超高真空狀態(tài)。一個強磁場促使它們圍繞加速環(huán)運行，這個強磁場是利用超導(dǎo)電磁石冷卻到零下271℃獲得的。因此大部分加速器都與一個液態(tài)氦分流系統(tǒng)和其他設(shè)備相連用來冷卻磁體。

大型強子對撞機利用數(shù)千個種類不同的磁體，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。

車與車的碰撞？——事故人與人的碰撞？——故事碰撞？粒子與粒子如何碰撞？？？

真正的對撞機里，束流其實是很多「團」粒子，按照嚴(yán)格的時間間隔，從次級加速器注入到主加速器管道中的。每一團這樣的粒子，叫「團簇」。

按照大型強子對撞機（LHC）的設(shè)計，每一個束流有2808個團簇；每一個團簇內(nèi)部有大約1.15*10^11個質(zhì)子；這些質(zhì)子以近光速運動，換算過來就是，大概每

25

納秒就會有兩個團簇在反應(yīng)點碰上，其中的25~30

對質(zhì)子會發(fā)生強碰撞。當(dāng)然，這不是巧合，如何讓這些團簇里的質(zhì)子都有相同的能量，如何保證它們在漫長的跑圈過程中（每一批束流在主環(huán)里一般需跑上10小時）不分散開并保持嚴(yán)格的間距，如何讓兩個束流的團簇能同步在反應(yīng)點碰面，這些都是加速器物理學(xué)家和工程師付出巨大努力的結(jié)果。粒子對撞過程的演示：研究的課題：1.牛頓未完成的工作——什么是質(zhì)量？質(zhì)量的起源是什么？為什么微小粒子擁有質(zhì)量，而其它一些粒子卻沒有這種“待遇”？最有可能的解釋似乎可以在希格斯玻色子身上找到。希格斯玻色子是“標(biāo)準(zhǔn)模型”這一粒子物理學(xué)理論中最后一種尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子，它的存在是整個“標(biāo)準(zhǔn)模型”的基石。早在1964年，蘇格蘭物理學(xué)家彼得·希格斯便首次預(yù)言存在這種粒子，科學(xué)家多次通過這臺機器觀測到這種粒子。

2.一個“看不見”的問題——96%的宇宙由什么構(gòu)成？我們在宇宙中看到的一切，都是由普通粒子構(gòu)成的。這些粒子被統(tǒng)稱為物質(zhì)，它們構(gòu)成了4%的宇宙。余下的部分據(jù)信由暗物質(zhì)——不發(fā)光的物質(zhì)和暗能量構(gòu)成，它們對于整個宇宙的構(gòu)成與運行有著極其重要的作用。對它們進行探測和研究的難度不可想象。研究暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)是當(dāng)今粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。3.“大爆炸”的秘密——物質(zhì)在宇宙誕生后的第一秒呈什么狀態(tài)？

構(gòu)成宇宙萬物的物質(zhì)據(jù)信來源于一系列密集而熾熱的基本粒子?，F(xiàn)在宇宙中的普通物質(zhì)由原子構(gòu)成，原子擁有一個由質(zhì)子和中子構(gòu)成的核子，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。這種束縛非常強大，但在最初的宇宙，由于溫度極高加之能量巨大，膠子很難將夸克結(jié)合在一起。也就是說，這種束縛似乎是在“大爆炸”發(fā)生后的最初幾微秒內(nèi)形成的，此時的宇宙擁有一個由夸克和膠子構(gòu)成的非常熾熱而密集的混合物，也就是所說的“夸克-膠子等離子體”。

聞名世界的榮譽：1.世界上最大的機器

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)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℃。2.世界上最快的跑道

功率達(dá)到最大時，數(shù)萬億個質(zhì)子將在大型強子對撞機周圍的加速器環(huán)內(nèi)以每秒1.1245萬次的頻率急速穿行，它們的速度是光速的99.9999991%。兩束質(zhì)子束分別以70000億電子伏特的最大功率相向而行，在功率達(dá)到140000億電子伏特時發(fā)生碰撞。每秒總共能發(fā)生大約6億次撞擊。3.太陽系中最空的空間

為了避免加速器中的粒子束與空氣分子相撞，這些粒子束在像行星間的空間一樣空蕩的超真空環(huán)境中穿行。大型強子對撞機的內(nèi)壓是10的負(fù)13次方個大氣壓，比月球上了壓力還小10倍。4.銀河系最熱點

大型強子對撞機是一個極熱和