郑华国 http://www.yunweituan.com/jkdh/
这几年，关于咱们国家应不应该建设大型粒子加速器，有很多的争论，在发表我的观点之前，想先分享一下现在世界上最先进的位于欧洲的大型强子对撞机LHC的相关知识。因为一直觉得，不论要讨论什么，那么第一步应该是搞明白它到底是什么。在法国和瑞士交界的地下米处，坐落着目前世界上最大的粒子加速器——大型强子对撞机LHC(theLargeHadronCollider)，它由一圈27公里长的超导磁体组成，带有若干加速结构，一旦启动，将以接近光速的速度发射质子和离子束，这些粒子束相互碰撞，科学家们记录并分析碰撞产生的结果，让物理学家可以测试不同粒子物理学理论，包括测量希格斯玻色子的性质，寻找超对称理论、预测的新粒子大家族等等。LHC隧道LHC工作原理简单来说，LHC以相反的方向发射两束粒子，一顺时针，一逆时针，让它们围绕27公里的对撞机运动，当加速到接近光速，将两粒子束相互瞄准，观测碰撞发生的过程和结果。但实现起来可没有这么简单。LHC加速和碰撞的粒子是质子或铅核，它们都带正电荷，所以LHC利用磁场来控制来引导和聚焦粒子束。因此，LHC拥有个不同类型的超导磁体，许多重达几吨。为了超导，这些磁体被浸泡在1.8开尔文(-.25摄氏度，稍微高于绝对零度)的超冷液氦中，比外太空还要冷。LHC地处欧洲多国城市为了避免引入的质子在达到合适的碰撞点之前碰到其它粒子，LHC建造了“超高真空”管道，要知道，即使一个小小的气体分子也可能导致实验失败。任何一台计算机都不可能收集和处理每台探测器在任何时间点生成的所有原始数据——每秒1拍字节(约,gb)。因此，大量的数据被实验中所谓的触发系统立即过滤掉。触发器系统运行复杂的算法，将选择的数据写入计算机存储。保存下来的信息被其他算法处理得更慢，这些算法被设计用来确定粒子的全部细节，从而发现通常非常罕见的、特别有趣的衰变。根据欧洲核子研究中心（CERN）的数据，在实验期间收集的数据量大约是每秒兆字节(MB/s)，LHC探测器每年将收集大约15拍字节的数据(即万亿兆字节)，这么多数据足以填满10万张DVD。那LHC具体是怎么运行的呢？LHC运行首先，科学家必须从氢原子中剥离电子以产生质子，每束直径约为2毫米。然后，质子进入LINAC2，这种机器使用射频腔装置来加速质子，之后将其射入名为PS助推器的加速器。一旦一束质子达到合适的能量水平，PS助推器就会把它注入另一个叫做超级质子同步加速器(SPS)的加速器中，继续加速。现在，这些质子束已经分成了更小的束——每个含有有个质子束。SPS将它们注入对撞机中，像我们之前讲的，一束顺时针运动，另一束逆时针运动。在对撞机内部，粒子束继续加速，大约20分钟后，它们达到最高速度，然后控制它们在LHC六个探测器之中发生碰撞。粒子束对撞当两个质子碰撞时，它们会分裂成更小的粒子，比如夸克。这些微小的亚粒子非常不稳定，在衰变或与其他亚粒子重新结合之前，它们只存在毫秒甚至皮秒的时间。根据大爆炸理论，早期宇宙中的所有物质都是由这些微小的亚粒子组成的。之后，宇宙慢慢冷却并膨胀，这些亚粒子结合，形成了如质子和中子等较大粒子，在其上，又有了原子分子等。探测器通过追踪亚原子粒子来收集信息。然后探测器将数据发送到计算机系统的网格中。不过，不是每个质子都会和另一个质子碰撞。即使像LHC这样先进的机器，也不可能引导像质子那么小的粒子束，使每个粒子都能与另一个粒子碰撞。未能碰撞的质子将继续在强磁场中进入束倾倒区。在那里，石墨材料会吸收额外的辐射。LHC探测器探测器是LHC非常重要的组成部分，它们收集粒子的相关信息，包括它们的速度、质量和电荷，物理学家据此可以确定粒子的类型。这个过程需要加速器、强大的电磁铁和一层又一层复杂的亚探测器。探测器构造探测器由多层组成，每层次探测器都是为了寻找特定的性质或粒子的特定类型而设计的。跟踪装置：揭示粒子的运动轨迹。介子是粒子的一种，它很少与物质发生相互作用，介子腔——专门用于探测介子的跟踪装置——通常构成探测器的最外层。大多数设备不会让粒子轨迹直接可见，而是记录粒子穿过设备时触发的微小电信号。然后，一个计算机程序重新构建所记录的轨迹模式。量热计：测量粒子通过时所损失的能量。它通常被设计成完全停止或“吸收”大部分来自碰撞的粒子，迫使它们在探测器中储存所有的能量。量热计可以阻止除μ轻子和中微子以外的大多数已知粒子。电磁量热计可以测量电子和光子与物质中带电粒子相互作用时的能量。强子量热计可以对强子(含有夸克的粒子，如质子和中子)与原子核相互作用时的能量进行采样。粒子鉴别探测器：一旦一个粒子通过了跟踪装置和量热计，通过检测粒子的电量轨迹和能量，可以确定粒子的类型。探测器LHCbLHC有4个探测器，有环面通用探测器ATLAS和CMS，重离子实验探测器ALICE，半面前场探测器LHCb。ATLAS和CMS主要用于探测各种普遍信号，两个独立实验组互相验证保证实验成果可信度。ALICE仅在对撞铅核的实验中开启，研究重离子相互作用。LHCb主要用来研究对撞过程中的不对称性，对寻找反物质，研究宇称不守恒和各种味物理的奇异性质。探测器ALICE今天先说到这里，明天将会探讨LHC实验有什么意义，现在有了什么成果。#科学了不起#如果喜欢这篇文章，请

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