大強子對撞機

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大強子對撞機(Large Hadron Collider,簡稱:LHC)係一座位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織CERN粒子加速器同對撞機,作為國際高能物理學研究之用。LHC經已建造完成,2008年9月10號開始試運轉,重成功噉維持咗兩質子束喺軌道入便運行,成為世界上最大嘅粒子加速器設施。LHC喺2008年10月21號落成。LHC係一個國際合作計劃,由全球85國入便嘅多個大學同研究機構,超過八千位物理學家共同合力出資合作興建。

2008年9月19號,LHC第三同第四段之間用做冷卻超導磁鐵嘅液態氦發生咗嚴重嘅洩漏,家下據推測係因連接兩個超導磁鐵嘅接點接觸唔好,喺超導高電流嘅情況下融毀造成嘅。根據CERN嘅安全條例,必需將磁鐵升返到室溫後詳細檢查才能繼續運轉,呢啲將需要三到四週嘅時間。要再冷卻返運作溫度,亦係得經過三四週嘅時間,噉啱啱好遇到預定嘅年度檢修時程,於是乎原訂喺2008年10月21號開始進行嘅低能量對撞實驗要去到2009年11月20號先至開始到。

設計[編輯]

CERN大型強子對撞器位置圖
LHC嘅超導電四極電磁鐵

LHC包括咗一個圓周為27公里嘅圓形隧道,因當地地形嘅原因位於地下50至150公尺之間。[1] 呢啲係先前大型電子正子加速器LEP)所用隧道嘅再利用。隧道本身直徑三公尺,位於同一平面上便,貫穿瑞士法國邊境,主要嘅部份大半位於法國。雖然隧道本身位於地底下,重有好多地面設施好似冷卻壓縮機,通風設備,控制電機設備,重有冷凍槽等等建構於其上。

加速器通道入邊,主要係放置兩個質子束管。因須維持前所未有高能量嘅粒子運行,加速管由超導磁鐵所包覆,以液態嚟冷卻。管入便嘅質子係以相反嘅方向,環繞著成個環型加速器運行。除此之外,喺四個實驗碰撞點近鄰,另有安裝第啲嘅偏向磁鐵聚焦磁鐵

兩個對撞加速管入便嘅質子,各有啲能量為 5 TeV(兆電子伏特),總撞擊能量達 10 TeV之多。(原設計為 14 TeV)每個質子環繞成個儲存環嘅時間為 89 微秒 。因為同步加速器嘅特性,加速管入便嘅粒子係以粒子團(bunch)嘅形式,而非連續嘅粒子流。成個儲存環將會有2800個粒子團,最短碰撞週期為 25 納秒 。喺加速器開始運作嘅初期,將會以軌道入便放入較少嘅粒子團嘅方式運作,碰撞週期為 75 納秒,再逐步提升到設計目標。

喺粒子入射到主加速環之前,會先經過一系列加速設施,逐級提升能量。當中,由兩個直線加速器所構成嘅質子同步加速器(PS)將產生50 MeV嘅能量,接著質子同步推進器(PSB)提升能量到1.4GeV。而質子同步加速環可達到26 GeV嘅能量。低能量入射環(LEIR)為一離子儲存同冷卻嘅裝置。反物質減速器(AD)可以將3.57 GeV嘅反質子,減速到2 GeV。最後超級質子同步加速器(SPS)可提升質子嘅能量到450 GeV。

喺LHC加速環嘅四個碰撞點,分別設有五個偵測器喺碰撞點嘅地穴中。其中超環面儀器ATLAS)同緊湊渺子線圈CMS)係通用型嘅粒子偵測器。第啲三個(LHC底夸克偵測器(LHCb),大型離子對撞器ALICE)同埋全截面彈性散射偵測器TOTEM)則係較細型嘅特殊目標偵測器。

LHC亦可以用做加速對撞 重離子,譬如話(Pb)離子可加速到1150 TeV。

因LHC有著對工程技術上極端嘅挑戰,安全的而且確保係極其重要嘅。當LHC開始運作嗰陣,磁鐵入便嘅總能量高達100億焦耳(GJ),而粒子束入便嘅總能量亦高達725百萬焦耳(MJ)。只需要10−7總粒子能量便可以令到超導磁鐵脫離超導態,而丟棄冚嘭唥嘅加速粒子可相當於一個細型嘅爆炸。

研究主題[編輯]

一張描述LHC如何產生希格斯玻色子費曼圖。喺圖入邊,兩個夸克各放射出一個W 及 Z 玻色子,甚至乎融合成一個希格斯玻色子。
喺CMS偵測器中希格斯玻色子衰變嘅模擬事例重建圖。(event display)

物理學家希望靠加速器對撞機嚟幫助佢哋解答下便嘅問題:

重離子對撞機[編輯]

雖然LHC嘅物理實驗計劃,著重過研究質子對撞後嘅現象。然而,短期嘅如每年一個月嘅重離子對撞亦喺實驗計劃之中。雖然第啲較輕嘅離子對撞實驗亦係可行嘅,家下主要嘅規劃為鉛離子嘅對撞實驗。[3]

LHC升級計劃[編輯]

有提議喺十年內 LHC 需要提昇一次硬體性能。[4] 認為 LHC 需要作基本上硬體嘅修改以提升佢嘅「亮度」(單位截面碰撞發生嘅頻率)。理想中 LHC 升級嘅途徑將係包括增加粒子束嘅流量,同埋修改兩個需要高亮度嘅區域: ATLAS 同 CMS 呢兩個偵測器嚟配合。下一代超大型強子對撞器嘅入射能量需增加到 1 TeV,於是乎前置入射裝置亦需升級,特別係「超級質子同步加速器」嘅部份。

經費支出[編輯]

LHC嘅建造經費最初係1995年通過嘅一筆26億瑞士法朗,另有一筆兩億一千萬元瑞朗嘅經費作為實驗之用。然而,經費超支。喺2001年嘅一次主要審核預期,將需增加四億八千萬元瑞朗喺加速器嘅建造,同五千萬元瑞朗嘅支出喺實驗運作上。同嗰陣,因CERN年度預算嘅縮減,LHC嘅完工日期由2005年延後到2007年四月,以用更多年度預算嚟支付。[5] 其中增加嘅一億八千萬元瑞朗,用於超導磁鐵嘅製造。重有,尚有喺興建放置CMS嘅地下洞穴時遇到嘅工程技術上嘅困難。[6] 預期嘅建造總額約為八十億元美金

LHC@Home[編輯]

內文: LHC@home

LHC@Home 係一個 分散式計算 嘅計劃,用做支持LHC興建同校正之用。呢個計劃係用 BOINC 平台,嚟模擬粒子如何喺加速器隧道中運行。有咗呢啲項資訊,科學家便可以決定如何放置磁鐵同調整功率,嚟達到加速軌道運行嘅穩定。

安全顧慮[編輯]

喺美國 RHIC 開始實驗之嗰陣,包括內部嘅研究者同第啲外部嘅一啲科學家,曾擔心類似嘅實驗可能會引發理論上嘅一啲災難,甚至摧毀地球或係成個宇宙

RHICCERN 都做咗一啲研究調查,檢視係咪有可能產生譬如話微黑洞、微細嘅奇異物質(奇異微子)或係磁單極等危險嘅事件。[8]呢啲份報告認為「我哋搵唔到任何可以證實嘅危害」。譬如話,除非某個未經證實嘅理論係啱嘅,唔係嘅話係冇可能產生出微細黑洞嘅。就算真有微黑洞產生咗,預期會透過霍金輻射嘅機制,好快就會蒸發消失,所以會係冇害嘅。而似 LHC 噉高能量嘅加速器嘅安全性,最有力嘅論點係一個簡單嘅事實:宇宙射線嘅能量比起 LHC 嚟要高出好鬼多數目級,太陽系星體從形成到而家咁多年落嚟,都不斷地被宇宙射線轟擊。既冇產生出微黑洞、微細嘅奇異物質或係磁單極,太陽、地球同月球亦都冇於是乎被摧毀。

然而,重有一啲人重係對 LHC 嘅安全性有疑慮:類似噉新嘅、未經測試過嘅實驗,係冇辦法完全保證前便講過嘅情況唔會發生。約翰·尼爾森(John Nelson)喺伯明罕大學談到RHIC說「呢啲係好鬼冇可能會有危害嘅──之不過我冇法百分之百保證。」[9] 另外喺學術界,對於霍金輻射係咪正確,亦有一啲疑問。[10]

RHIC 自2000年運行到而家,都冇產生可以摧毀地球嘅物質嘅跡象。

建設同延遲[編輯]

2005年10月25日,因為起重機載貨嘅意外掉落,造成一位技術人員嘅喪生。 [11][12]

2007年3月27日,由費米實驗室所負責建造,一個用於 LHC 內部嘅三極低溫超導磁鐵(屬於聚焦用四極磁鐵),因為支撐架嘅設計唔好,喺壓力測試時發生破損。雖然冇造成人員嘅傷亡,之不過卻嚴重影響咗 LHC 開始運作嘅時程。費米實驗室主任皮耶·奧登(Pier Oddone)說道:「喺呢個案例入邊,我哋驚訝地發現到,一個簡單嘅靜力平衡被疏忽咗。」呢個錯誤存在原始嘅設計入邊,而經過多年嚟數次嘅審核都冇發現。[13] 分析發現,為咗縮細支撐架嘅粗細嚟達成束流管更佳嘅絕緣效果,之但係就於是乎唔足以支撐壓力測試嗰陣,所施加嘅外力。詳細嘅內容可見於費米實驗室嘅對外說明,CERN 亦同意其內容。[14][15] 修復損壞嘅磁鐵,重補強八個同型嘅磁鐵造成咗 LHC 預計開始運行嘅時程,[16] 於是乎延遲到2007年11月。

2008年9月19日,LHC第三同第四段之間用做冷卻超導磁鐵嘅液態氦發生咗嚴重嘅洩漏,家下據推測係因連接兩個超導磁鐵嘅接點接觸唔好,喺超導高電流嘅情況下融毀造成嘅。根據CERN嘅安全條例,必需將磁鐵升返到室溫後詳細檢查才能繼續運轉,呢啲將需要三到四週嘅時間。要再冷卻返運作溫度,亦係得經過三四週嘅時間,噉啱啱好遇到預定嘅年度檢修時程,於是乎要開始運作將可能延遲到2009年春天。[17]

2008年10月16日,CERN發佈咗關於液態氦洩漏事件嘅調查分析,証實咗先前推測嘅為兩超導磁鐵間接點唔好造成嘅。因安全條例確實地實行、安全設計皆有正常工作、重替換用嘅零件都有庫存,於是乎預期明年春天將可準時開始運轉。[18]

關聯項目[編輯]

LHC嘅緊湊渺子線圈(CMS)偵測器

參考[編輯]

  1. Symmetry magazine, 2005年四月號
  2. 「……喺粒子物理學引發嘅公開演講入邊,我哋聽到太多關於LHC或係直線加速器嘅目標,都係係檢視標準模型入邊,最後一個重未見著嘅粒子:希格斯粒子,呢個今日嘅聖盃。事實唔應係噉嘅冇趣!我哋嘗試提出嘅,係個更令人感興趣嘅疑問:我哋係咪能夠接受一個缺少希格斯機制嘅世界?呢啲未嘗唔係一件令人興奮嘅事?」-Chris Quigg,Nature's Greatest Puzzles
  3. Ions for LHC
  4. PDF presentation of proposed LHC upgrade
  5. LHC Cost Review to Completion, CERN 2001
  6. Toni Feder. CERN Grapples with LHC Cost Hike. . 喺2006-06-12搵到;. 
  7. Dimopoulos, S. and Landsberg, G. Black Holes at the Large Hadron Collider. Phys. Rev. Lett. 87 (2001).
  8. Blaizot, J.-P. et al. Study of Potentially Dangerous Events During Heavy-Ion Collisions at the LHC. (PDF)
  9. Jonathan Leake:Big Bang machine could destroy Earth, Sunday Times
  10. Adam D. Helfer: General Relativity and Quantum Cosmology
  11. http://cosmicvariance.com/2005/10/25/tragedy-at-cern/
  12. http://user.web.cern.ch/user/QuickLinks/Announcements/2005/Accident.html
  13. Fermilab'Dumbfounded'by fiasco that broke magnet. 
  14. LHC Magnet Test Failure. 
  15. Updates on LHC inner triplet failure. 
  16. The God Particle. www.bbc.com. . 喺2007-05-22搵到;. 
  17. Incident in LHC section 3-4 (CERN公報). www.cern.ch. . 喺2008-09-20搵到;. 
  18. CERN releases analysis of LHC incident (CERN公報). www.cern.ch. . 喺2008-10-16搵到;. 

出面網頁[編輯]