大型強子對撞機

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坐标46°14′N 06°03′E / 46.233°N 6.050°E / 46.233; 6.050

LHC.svg
大型強子對撞機
LHC 子實驗
ATLAS 超環面儀器
CMS 緊湊緲子線圈
LHC-b LHCb
ALICE 大型離子對撞機實驗
TOTEM 全截面彈性散射偵測器
LHC 次級加速器
p and Pb 質子離子直線加速器
(未標記) 質子同步推進器
PS 質子同步加速器
SPS 超級質子同步加速器

大型強子對撞機英语Large Hadron Collider縮寫LHC)是一座位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織的對撞型粒子加速器,作為國際高能物理學研究之用。LHC已經建造完成,2008年9月10日開始試運轉,並且成功地維持了兩質子束在軌道中運行,成為世界上最大的粒子加速器設施。大型強子對撞機是一個國際合作計劃,由全球85國中的多個大學與研究機構,逾8,000位物理學家合作興建,經費一部份來自歐洲核子研究組織會員國提供的年度預算,以及參與實驗的研究機構所提撥的資金。

大型強子對撞機本預計於2008年10月21日開始進行低能量對撞實驗。但2008年9月19日,大型強子對撞機第三與第四段之間用來冷卻超導磁鐵的液態氦發生了嚴重的洩漏,據推測是由於聯接兩個超導磁鐵的接點接觸不良,在超導高電流的情況下融毀所造成的。依據歐洲核子研究組織的安全條例,必需將磁鐵升回到室溫後詳細檢查才能繼續運轉,這將需要三到四週的時間。要再冷卻回運作溫度,也是得經過三四週的時間,如此正好遇上預定的年度檢修時程,因此必須延遲開始運作的時間。

2009年11月23日,大型強子對撞機進行了在修復完成後的第一次試撞。[1]

設計[编辑]

CERN大型強子對撞機位置圖
LHC的超導電四極電磁鐵,由費米實驗室合作者所建造

LHC是在一個圓周為27公里的圓形隧道內,該隧道因當地地形的起伏而位於地下約50至150公尺之間。[2]這是先前大型電子正子對撞機所使用隧道的再利用。隧道本身直徑三公尺,位於同一平面上,並貫穿瑞士法國邊境,主要的部份大半位於法國。雖然隧道本身位於地底下,尚有許多地面設施如冷卻壓縮機,通風設備,控制電機設備,還有冷凍槽等等建構於其上。

加速器通道中,主要是放置兩個質子束管。由於須維持前所未有高能量的粒子運行,加速管由超導磁鐵所包覆,以液態來冷卻。管中的質子是以相反的方向,環繞著整個環型加速器運行。除此之外,在四個實驗碰撞點附近,另有安裝其他的二極偏向磁鐵及四極聚焦磁鐵

兩個對撞加速管中的質子,初步將以5TeV的能量對撞,總撞擊能量達10 TeV之多。(設計目標為14 TeV)每個質子環繞整個儲存環的時間為89微秒。因為同步加速器的特性,加速管中的粒子是以粒子團(bunch)的形式,而非連續的粒子流。整個儲存環將會有2800個粒子團,最短碰撞週期為25纳秒。在加速器開始運作的初期,將會以軌道中放入較少的粒子團的方式運作,碰撞週期為75奈秒,再逐步提升到設計目標。

在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。其中,由兩個直線加速器所構成的質子同步加速器(PS)將產生50 MeV的能量,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的能量。低能量入射環(LEIR)為一離子儲存與冷卻的裝置。反物質減速器(AD)可以將3.57 GeV的反質子,減速到2 GeV。最後超級質子同步加速器(SPS)可提升質子的能量到450 GeV。

在LHC加速環的四個碰撞點,分別設有五個偵測器在碰撞點的地穴中。其中超環面儀器緊湊緲子線圈是通用型的粒子偵測器。其他三個(LHC底夸克偵測器(LHCb), 大型離子對撞機(ALICE)以及全截面彈性散射偵測器則是較小型的特殊目標偵測器。

LHC也可以用來加速對撞重離子,例如離子因其荷質比(電荷和質量的比值)可加速到1150 TeV。

由於LHC有著對工程技術上極端的挑戰,安全的確保是極其重要的。當LHC開始運作時,磁鐵中的總能量高達100億焦耳,而粒子束中的總能量也高達725Megajoule(MJ)。只需要10−7總粒子能量便可以使超導磁鐵脫離超導態,而丟棄全部加速器中的粒子可相當於一個小型的爆炸。

於2010年3月20日首度成功進行了粒子撞擊實驗,並創造了高達7TeV的龐大能量。

研究主題[编辑]

一張描述LHC如何產生希格斯玻色子費曼圖。在圖中,兩個夸克各放射出一個W及Z玻色子,進而融合成一個希格斯玻色子。
在CMS偵測器中希格斯玻色子衰變的模擬事例重建圖。(event display)

物理學家希望藉由加速器對撞機來幫助他們解答下列的問題:

重離子對撞機[编辑]

雖然LHC的物理實驗計劃,著重於研究質子對撞後的現象。然而,如每年一個月的短期重離子對撞也在實驗計劃之中。雖然其他較輕的離子對撞實驗也是可行的,目前主要的規劃為鉛離子的對撞實驗。[4]

LHC升級計劃[编辑]

有提議在十年內LHC需要提昇一次硬體性能。[5] 認為LHC需要作基本上硬體的修改以提升它的「亮度」(單位截面碰撞發生的頻率)。理想中LHC升級的途徑將是包含增加粒子束的流量,以及修改兩個需要高亮度的區域:ATLAS與CMS這兩個偵測器來配合。下一代超大型強子對撞機的入射能量需增加到1 TeV,因此前置入射裝置也需升級,特別是「超級質子同步加速器」的部份。

經費支出[编辑]

LHC的建造經費最初是1995年通過的一筆26億瑞朗,另有一筆兩億一千萬元瑞朗的經費作為實驗之用。然而,經費超支。在2001年的一次主要審核預期,將需增加四億八千萬元瑞朗在加速器的建造,與五千萬元瑞朗的支出在實驗運作上。同時,由於CERN年度預算的縮減,LHC的完工日期由2005年延後到2007年四月,以使用更多年度預算來支付。[6] 其中增加的一億八千萬元瑞朗,用於超導磁鐵的製造。另外,尚有在興建放置CMS的地下洞穴時遇到的工程技術上的困難。[7] 預期的建造總額約為八十億美元

LHC@Home[编辑]

LHC@home是一個分散式計算的計劃,用來支持LHC興建與校正之用。這個計劃是使用BOINC平台,來模擬粒子如何在加速器隧道中運行。有了這項資訊,科學家便可以決定如何放置磁鐵與調整功率,來達到加速軌道運行的穩定。

安全顧慮[编辑]

在美國RHIC開始實驗之時,包括內部的研究者與其他外部的一些科學家,曾擔心類似的實驗可能會引發理論上的一些災難,甚至摧毀地球或是整個宇宙

RHICCERN都進行了一些研究調查,檢視是否有可能產生例如微黑洞、微小的奇異物質(奇異微子)或是磁單極等危險的事件。[9]這份報告認為「我們找不到任何可以證實的危害」。例如,除非某個未經證實的理論是對的,否則是不可能產生出微小黑洞的。即使真有微黑洞產生了,預期會透過霍金輻射的機制,很快就會蒸發消失,所以會是無害的。而像LHC這樣高能量的加速器的安全性,最有力的論點在於一個簡單的事實:宇宙射線的能量比起LHC來要高出非常多數量級,太陽系星體從形成到現在這麼多年下來,都不斷地被宇宙射線轟擊。既沒有產生出微黑洞、微小的奇異物質或是磁單極,太陽、地球和月球也都沒有因此被摧毀。

然而,仍有一些人還是對LHC的安全性有疑慮:類似這樣新的、未經測試過的實驗,是沒有辦法完全保證上述的情況不會發生。約翰·尼爾森(John Nelson)在伯明罕大學談到RHIC說「這是非常不可能會有危害的──但是我無法百分之百保證。」[10]另外在學術界,對於霍金輻射是否正確,也有一些疑問。[11]

RHIC自2000年運行到現在,都沒有產生可以摧毀地球的物質的跡象。

建設意外與延遲[编辑]

LHC的緊湊緲子線圈(CMS)偵測器

2005年10月25日,因為起重機載貨的意外掉落,造成一位技術人員的喪生。[12][13]

2007年3月27日,由費米實驗室所負責建造,一個用於LHC內部的三極低溫超導磁鐵(屬於聚焦用四極磁鐵),因為支撐架的設計不良,在壓力測試時發生破損。雖然沒有造成人員的傷亡,但是卻嚴重影響了LHC開始運作的時程。費米實驗室主任皮耶·奧登(Pier Oddone)說道:「在這個案例中,我們驚訝地發現到,一個簡單的靜力平衡被疏忽了。」這個錯誤存在原始的設計中,而且經過多年來數次的審核都沒有發現。[14]分析發現,為了縮小支撐架的粗細來達成束流管更佳的絕緣效果,卻因此不足以支撐壓力測試時,所施加的外力。詳細的內容可見於費米實驗室的對外說明,CERN也同意其內容。[15][16]修復損壞的磁鐵,並且補強八個同型的磁鐵造成了LHC預計開始運行的時程,[17]因此延遲到2007年11月。

2008年9月19日,LHC第三與第四段之間,冷卻超導磁鐵用的液態氦發生了嚴重的洩漏,佔總量約1/3的高達6噸液態氦洩漏到隧道中。目前據推測是由於費米實驗室負責建造的超導體磁鐵,在聯接兩個的連接匯流排(bus bar)焊接不良,在超導高電流的情況下產生了熱量使得超導體脫離超導態,電流經過瞬間的高電阻形成了電弧打穿了冷卻設備的液態氦儲存槽所造成的。依據CERN的安全條例,必需將磁鐵升回到室溫後詳細檢查才能繼續運轉,這將需要三到四週的時間。要再冷卻回運作溫度,也是得經過三四週的時間,如此即使直接替換掉損壞的元件不進行補強作業,也還是正好遇上預定的年度歲修時程,因此要開始運作將至少可能延遲至2009年春天。[18]

2008年10月16日,CERN發佈了關於液態氦洩漏事件的調查分析,証實了先前推測的為兩超導磁鐵間焊接點不良所造成的。由於安全條例確實地實行、安全設計皆有正常工作、並且替換用的零件都有庫存,依目前CERN於2008年12月5日公佈的時程,LHC將於2009年夏天開始恢復運轉。[19] [20]

根據2009年4月30日CERN的最新公報[21],LHC最後的一段維修偏向磁鐵完成放置回隧道當中,自2008年9月19日洩漏事件以來毀損的磁鐵維修作業終於告一段落。接下來的工作,將專注於完成磁鐵間的連結工作以及預防未來類似洩漏事件的加強監控與補強作業[22]。在此次的維修作業中,LHC第三第四段間共有53個磁鐵被替換掉。其中有16個損傷不大的磁鐵,是以良品維修(refurbish)的方式來處理,而另外37個損壞較嚴重的部份,則是直接由備品替換。這些替換下來的磁鐵,將在維修之後作為將來的備品料件使用。目前LHC管理部門所規劃的時程,仍依照2009年2月9日CERN所公佈的,將於九月底啟動運轉,並預計十月開始對撞實驗[23]

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ [1], 中時電子報
  2. ^ Symmetry magazine, 2005年四月號
  3. ^ 「......在粒子物理學引發的公開演講中,我們聽到太多關於LHC或是直線加速器(ILC)的目標,都是在於檢視標準模型中,最後一個仍未見著的粒子:希格斯粒子,這個今日的聖盃。事實不應是如此的無趣!我們嘗試提出的,是個更令人感興趣的疑問:我們是否能夠接受一個缺少希格斯機制的世界?這未嘗不是一件令人興奮的事?」-Chris Quigg,Nature's Greatest Puzzles
  4. ^ Ions for LHC
  5. ^ PDF presentation of proposed LHC upgrade
  6. ^ LHC Cost Review to Completion, CERN 2001
  7. ^ Toni Feder. CERN Grapples with LHC Cost Hike. [2006-06-12]. 
  8. ^ Dimopoulos, S. and Landsberg, G. Black Holes at the Large Hadron Collider. Phys. Rev. Lett. 87 (2001).
  9. ^ Blaizot, J.-P. et al. Study of Potentially Dangerous Events During Heavy-Ion Collisions at the LHC. (PDF)
  10. ^ Jonathan Leake:Big Bang machine could destroy Earth, Sunday Times
  11. ^ Adam D. Helfer: General Relativity and Quantum Cosmology
  12. ^ http://cosmicvariance.com/2005/10/25/tragedy-at-cern/
  13. ^ http://user.web.cern.ch/user/QuickLinks/Announcements/2005/Accident.html
  14. ^ Fermilab'Dumbfounded'by fiasco that broke magnet. 
  15. ^ LHC Magnet Test Failure. 
  16. ^ Updates on LHC inner triplet failure. 
  17. ^ The God Particle. www.bbc.com. [2007-05-22]. 
  18. ^ Incident in LHC section 3-4(CERN公報). www.cern.ch. [2008-09-20]. 
  19. ^ CERN releases analysis of LHC incident(CERN公報). www.cern.ch. [2008-10-16]. 
  20. ^ LHC to restart in 2009(CERN公報). www.cern.ch. [2009-01-28]. 
  21. ^ Final LHC magnet goes underground(CERN公報). www.cern.ch. [2009-05-03]. 
  22. ^ After Repairs, Summer Start-Up Planned for Collider(紐約時報報導). www.nytimes.com. [2009-05-03]. 
  23. ^ CERN management confirms new LHC restart schedule(CERN公報). www.cern.ch. [2009-05-03]. 

外部連結[编辑]