量子力學(xué) - 大型粒子對(duì)撞機(jī)

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

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)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(duì)撞機(jī)，作為國(guó)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(duì)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(zhǎng)，深埋于地下100米，橫跨法國(guó)和瑞士的邊境。由來(lái)自大約80個(gè)國(guó)家的7000名科學(xué)家和工程師，自1994年立項(xiàng)開始?xì)v經(jīng)14年，共同完成這項(xiàng)偉大的工程，在建設(shè)過(guò)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(gè)質(zhì)子束管。加速管由超導(dǎo)磁鐵所包覆，以液態(tài)氦來(lái)冷卻。(2)管中的質(zhì)子是以相反的方向，環(huán)繞著整個(gè)環(huán)型加速器運(yùn)行。除此之外，在四個(gè)實(shí)驗(yàn)碰撞點(diǎn)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(gè)碰撞點(diǎn)，分別設(shè)有五個(gè)偵測(cè)器在碰撞點(diǎn)的地穴中。主要結(jié)構(gòu)：林恩·埃文斯——?dú)W洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的領(lǐng)導(dǎo)者。獲得了英國(guó)斯旺西大學(xué)的物理學(xué)博士學(xué)位。1969年，他花3個(gè)月時(shí)間訪問(wèn)了這一歐洲核子物理研究組織項(xiàng)目。從此，他和妻子以及家人就定居在這里。60余名中國(guó)科學(xué)家（其中近四十人為臺(tái)灣科學(xué)家）參與強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)。四個(gè)主要實(shí)驗(yàn)均有中國(guó)科研單位和高校參與，分別為：中科院高能物理研究所、中國(guó)科技大學(xué)、山東大學(xué)、南京大學(xué)參與ATLAS實(shí)驗(yàn)；中科院高能物理研究所、北京大學(xué)參與CMS實(shí)驗(yàn)；華中師范大學(xué)參與ALICE實(shí)驗(yàn)；清華大學(xué)參與LHCb實(shí)驗(yàn)。技術(shù)原理：

在這個(gè)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(guò)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(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)促使它們圍繞加速環(huán)運(yùn)行，這個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)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(gè)液態(tài)氦分流系統(tǒng)和其他設(shè)備相連用來(lái)冷卻磁體。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)利用數(shù)千個(gè)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(zhǎng)的1232雙極磁體和392四極磁體，1232雙極磁體被用來(lái)彎曲粒子束，392四極磁體每個(gè)都有5到7米長(zhǎng)，它們被用來(lái)集中粒子流。在碰撞之前，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)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(jī)會(huì)。

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(lái)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(duì)撞機(jī)里，束流其實(shí)是很多「團(tuán)」粒子，按照嚴(yán)格的時(shí)間間隔，從次級(jí)加速器注入到主加速器管道中的。每一團(tuán)這樣的粒子，叫「團(tuán)簇」。

按照大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的設(shè)計(jì)，每一個(gè)束流有2808個(gè)團(tuán)簇；每一個(gè)團(tuán)簇內(nèi)部有大約1.15*10^11個(gè)質(zhì)子；這些質(zhì)子以近光速運(yùn)動(dòng)，換算過(guò)來(lái)就是，大概每

25

納秒就會(huì)有兩個(gè)團(tuán)簇在反應(yīng)點(diǎn)碰上，其中的25~30

對(duì)質(zhì)子會(huì)發(fā)生強(qiáng)碰撞。當(dāng)然，這不是巧合，如何讓這些團(tuán)簇里的質(zhì)子都有相同的能量，如何保證它們?cè)诼L(zhǎng)的跑圈過(guò)程中（每一批束流在主環(huán)里一般需跑上10小時(shí)）不分散開并保持嚴(yán)格的間距，如何讓兩個(gè)束流的團(tuán)簇能同步在反應(yīng)點(diǎn)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(duì)撞過(guò)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(méi)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(gè)“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(guò)這臺(tái)機(jī)器觀測(cè)到這種粒子。

2.一個(gè)“看不見(jiàn)”的問(wèn)題——96%的宇宙由什么構(gòu)成？我們?cè)谟钪嬷锌吹降囊磺校际怯善胀Ｗ訕?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(duì)于整個(gè)宇宙的構(gòu)成與運(yùn)行有著極其重要的作用。對(duì)它們進(jìn)行探測(cè)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(wàn)物的物質(zhì)據(jù)信來(lái)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(gè)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(qiáng)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(shuō)，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(shí)的宇宙擁有一個(gè)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(shuō)的“夸克-膠子等離子體”。

聞名世界的榮譽(yù)：1.世界上最大的機(jī)器

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的精確周長(zhǎng)是2.6659萬(wàn)米，內(nèi)部總共有9300個(gè)磁體。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)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(jī)。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(wàn)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(shí)，數(shù)萬(wàn)億個(gè)質(zhì)子將在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)周圍的加速器環(huán)內(nèi)以每秒1.1245萬(wàn)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(shí)發(fā)生碰撞。每秒總共能發(fā)生大約6億次撞擊。3.太陽(yáng)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的內(nèi)壓是10的負(fù)13次方個(gè)大氣壓，比月球上了壓力還小10倍。4.銀河系最熱點(diǎn)

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是一個(gè)極熱和