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作者： imtoken中文官网

2024-03-07 19:38:30

大型强子对撞机_百度百科

对撞机_百度百科网页新闻贴吧知道网盘图片视频地图文库资讯采购百科百度首页登录注册进入词条全站搜索帮助首页秒懂百科特色百科知识专题加入百科百科团队权威合作下载百科APP个人中心大型强子对撞机播报讨论上传视频将质子加速对撞的高能物理设备收藏查看我的收藏0有用+10大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）是粒子物理科学家为了探索新的粒子，和微观量化粒子的‘新物理’机制设备，是一种将质子加速对撞的高能物理设备。欧洲大型强子对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加速器。大型强子对撞机坐落于日内瓦附近瑞士和法国的交界侏罗山地下100米深，总长17英里（含环形隧道）的隧道内。2008年9月10日，对撞机初次启动进行测试。2019年8月1日，大型强子对撞机（LHC）的下一代“继任者”——高亮度大型强子对撞机项目的升级工作正在进行，亮度将提升5到10倍。 [1]科学家们在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）上发现了一种新粒子，其被称为“奇异的五夸克”。相关论文刊发于2023年7月出版的《物理评论快报》杂志。 [11]中文名大型强子对撞机外文名Large Hadron Collider（LHC）位置瑞士和法国交界侏罗山地下100米长度17英里（精确长度26659米）涉及领域物理学延伸产品高亮度大型强子对撞机目录1过程及目的2设备结构3研究历史4运行状况5技术原理6工作流程7创始人物8研究课题9科学实验10技术改进▪升级计划▪分布计算11经费支出12建设意义13获得荣誉14模拟现象探索15科学研究过程及目的播报编辑建造过程和探索微观粒子的目的CERN的大型强子对撞机大型强子对撞器 [2-3]，英文名简称为LHC（Large Hadron Collider）是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERN的粒子加速器与对撞机，作为国际高能物理学研究之用。地理坐标为北纬46°14′00″，东经6°03′00″46.23;6.05，LHC已经建造完成。大型强子对撞机将是世界上最大、能量最高的粒子加速器，来自大约80个国家的7000名科学家和工程师。由40个国家建造。是一种将质子加速对撞的高能物理设备。它是一个圆形加速器，深埋于地下100米，它的环状隧道有27 公里长，坐落于在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（又名欧洲粒子物理实验室），横跨法国和瑞士的边境。为了节省成本，物理学家们没有开凿一条昂贵的新隧道来容纳新的对撞机，而是决定拆掉原来安置在欧洲原子核研究中心的正负电子加速器，代之以建造大型强子对撞机所需要的5万吨设备。当两个质子束在环形隧道中沿着反方向运动的时候，强大的电场使它们的能量急剧增加。这些粒子每运行一圈，就会获得更多的能量。要保持如此高能量的质子束继续运行需要非常强大的磁场。这么强的磁场是由冷却到接近绝对零度的超导电磁体产生的。物理学家们最希望建造的是一个30公里长的机器，它能以至少5千亿电子伏的能量将电子和正电子一起粉碎。对撞机已经发现了‘希格斯粒子希格斯玻色子的存在，升级后发现‘夸克奇异重子’五种夸克的‘味变’集合体存在，改造升级能量的加大还会‘探索发现’超对称粒子和希格斯耦合粒子与粒子的额外维相存在。设备结构播报编辑LHC是一个国际合作的计划，由34个国家超过两千位物理学家所属的大学与实验室所共同出资合作兴建的。LHC包含了一个圆周为27公里的圆形隧道，因当地地形的缘故位于地下50至150米之间。这是先前大型电子正子加速器（LEP）所使用隧道的再利用，隧道本身直径三米，位于同一平面上，并贯穿瑞士与法国边境，主要的部分大半位于法国。虽然隧道本身位于地底下，尚有许多地面设施如冷却压缩机，通风设备，控制电机设备，还有冷冻槽等等建构于其上。加速器通道中，主要是放置两个质子束管。加速管由超导磁铁所包覆，以液态氦来冷却。管中的质子是以相反的方向，环绕着整个环型加速器运行。除此之外，在四个实验碰撞点附近，另有安装其他的偏向磁铁及聚焦磁铁。LHC加速环的四个碰撞点，分别设有五个侦测器在碰撞点的地穴中。其中超环面仪器（ATLAS）与紧凑渺子线圈（CMS）是通用型的粒子侦测器。其他三个（LHC底夸克侦测器（LHCb），大型离子对撞器（ALICE）以及全截面弹性散射侦测器（TOTEM）则是较小型的特殊目标侦测器。研究历史播报编辑1994年，大型强子对撞机的项目立项后，林恩·埃文斯理所当然地就成为了这个耗资百亿美元的项目的负责人。对撞机从设计到建造，都由他全权负责。14年后，在瑞士和法国交界地区地下100米深处的周长为27公里的环形隧道里，埃文斯和全球80多个国家近万名科学家的心血结晶——大型强子对撞机正式建成。在2005年10月25日，因为起重机载货的意外掉落，造成一位技术人员的丧生。2007年3月27日，由费米实验室所负责建造，一个用于LHC内部的三极低温超导磁铁（属于聚焦用四极磁铁），因为支撑架的设计不良，在压力测试时发生破损。虽然没有造成人员的伤亡，但是却严重影响了LHC开始运作的时程。2008年6月15日，在埃文斯的退休仪式上，这6位主任纷纷亲自出面或通过视频向他致以敬意。他们还联合签署了一份文件，将大型强子对撞机以林恩·埃文斯的名字命名，并制作了一个对撞机偶极子的小模型赠送给埃文斯。2008年9月10日，对撞机初次启动进行测试。埃文斯将手指放在鼠标上，亲自点击启动了首次测试。这次测试是研究人员将一个质子束以顺时针方向注入到加速器中，让其加速到99.9998%光速的超快速度，从而使此质子束在全长27公里的环形隧道中以每秒11245圈的速度狂飙。这一幕通过网络视频向世界进行了直播，还有300多名记者来到此实验室目睹测试过程。2008年9月19日，LHC，第三与第四段之间，用来冷却超导磁铁的液态氦，发生了严重的泄漏。据推测是由于联接两个超导磁铁的接点接触不良，在超导高电流的情况下融毁所造成的。依据CERN的安全条例，必需将磁铁升回到室温后详细检查才能继续运转，这将需要三到四周的时间。要再冷却回运作温度，也是得经过三四周的时间，如此正好遇上预定的年度检修时程，因此要开始运作将可能延迟至2009年春天。2008年10月16日，CERN发布了关于液态氦泄漏事件的调查分析，证实了先前推测的为两超导磁铁间接点不良所造成的。由于安全条例确实地实行、安全设计皆有正常工作、并且替换用的零件都有库存，预期2009年6月重启。2010年，参与大型强子对撞机（LHC）项目的科学家表示，他们可能已经“接近”希格斯玻色子。希格斯玻色子也被称之为“上帝粒子”，据说在大爆炸之后宇宙形成过程中扮演重要角色。2015年4月5日，经过约两年的停机维护和升级后，欧洲大型强子对撞机重新启动，正式开启第二阶段运行，希望探索‘发现’希格斯耦合粒子超对称粒子的存在。2018年8月，欧洲核子研究中心宣布，该机构人员用大型强子对撞机（LHC）加速了电离的铅原子，这是该设备首次用于加速原子。 [4]2019年8月1日，欧洲核子研究中心透露，大型强子对撞机（LHC）的下一代“继任者”——高亮度大型强子对撞机项目的升级工作正在进行。高亮度LHC项目预计从2026年正式开始运行，其亮度将比LHC提升5到10倍，从而大大提升LHC的性能。 [1]2022年4月，据欧洲核子研究中心官网报道，经过3年多维修和升级，世界上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机（LHC）“王者归来”。4月22日，两束质子以4500亿电子伏特（450GeV）的注入能量在LHC约27公里的环周围以相反方向循环，这标志着该设施新一轮数据收集工作正式开始，预计将持续4年。 [8]2022年7月，LHC成功启动第三轮运行，以创纪录的13.6太电子伏特的能量进行了质子—质子碰撞。2022年11月，在大型强子对撞机（LHC）上开展的测试中，铅原子核被加速并发生了核子—核子碰撞，对撞能量创下5.36太电子伏特纪录，为2023年以后开展的铅—铅对撞奠定了基础。 [10]运行状况播报编辑大型强子对撞机2008年9月10日下午15：30正式开始运作，成为世界上最大的粒子加速器设施。2008年9月19日，LHC第三与第四段之间，用来冷却超导磁铁的液态氦，发生了严重的泄漏，导致对撞机暂停运转。大约80个国家的7000名科学家和工程师参与了该项目。60余名中国科学家（其中近四十人为台湾科学家）参与强子对撞机实验。四个主要实验均有中国科研单位和高校参与，分别为：中科院高能物理研究所、中国科技大学、山东大学、南京大学参与ATLAS实验；中科院高能物理研究所、北京大学参与CMS实验；华中师范大学参与ALICE实验；清华大学参与LHCb实验。2022年4月，欧洲大型强子对撞机粒子加速器正加紧准备恢复科学研究。 [7]技术原理播报编辑电脑绘制的对撞机整体结构图大型强子对撞机（LHC）是欧洲粒子物理研究所（CERN）的加速器复合体的最新补充。在这个加速器里面，2束高能粒子流在彼此相撞之前，以接近光速的速度向前传播。这两束粒子流分别通过不同光束管，向相反方向传播，这两根管子都处于超高真空状态。一个强磁场促使它们围绕那个加速环运行，这个强磁场是利用超导电磁石获得的。这些超导电磁石是利用特殊电缆线制成的，它们在超导状态下进行操作，有效传导电流，没有电阻消耗或能量损失。要达到这种结果，大约需要将磁体冷却到零下271℃，这个温度比外太空的温度还低。由于这个原因，大部分加速器都与一个液态氦分流系统和其他设备相连，这个液态氦分流系统是用来冷却磁体的。大型强子对撞机利用数千个种类不同，型号各异的磁体，给该加速器周围的粒子束指引方向。这些磁体中包括15米长的1232双极磁体和392四极磁体，1232双极磁体被用来弯曲粒子束，392四极磁体每个都有5到7米长，它们被用来集中粒子流。在碰撞之前，大型强子对撞机利用另一种类型的磁体“挤压”粒子，让它们彼此靠的更近，以增加它们成功相撞的机会。这些粒子非常小，让它们相撞，就如同让从相距10公里的两地发射出来的两根针相撞一样。这个加速器、它的仪器和技术方面的基础设施的操作器，都安装在欧洲粒子物理研究所控制中心的同一座建筑内。在这里，大型强子对撞机内的粒子流将在加速器环周围的4个区域相撞，这4个区域与粒子探测器的位置相对应。工作流程播报编辑两个对撞加速管中的质子，各具有的能量为7 TeV（兆兆电子伏特），总撞击能量达14 TeV之谱。每个质子环绕整个储存环的时间为89微秒（microsecond）。因为同步加速器的特性，加速管中的粒子是以粒子团（bunch）的形式，而非连续的粒子流。整个储存环将会有2800个粒子团，最短碰撞周期为 25纳秒（nanosecond）。在加速器开始运作的初期，将会以轨道中放入较少的粒子团的方式运作，碰撞周期为75纳秒，再逐步提升到设计目标。在粒子入射到主加速环之前，会先经过一系列加速设施，逐级提升能量。其中，由两个直线加速器所构成的质子同步加速器（PS）将产生50 MeV的能量，接着质子同步推进器（PSB）提升能量到1.4GeV。而质子同步加速环可达到26 GeV的能量。低能量入射环（LEIR）为一离子储存与冷却的装置。反物质减速器（AD）可以将3.57 GeV的反质子，减速到2 GeV。最后超级质子同步加速器（SPS）可提升质子的能量到450 GeV。LHC也可以用来加速对撞重离子，例如铅（Pb）离子可加速到1150 TeV。由于LHC有着对工程技术上极端的挑战，安全上的确保是极其重要的。当LHC开始运作时，磁铁中的总能量高达100亿焦耳（GJ），而粒子束中的总能量也高达725百万焦耳（MJ）。只需要10-7总粒子能量便可以使超导磁铁脱离超导态，而丢弃全部的加速粒子可相当于一个小型的爆炸。 [5]创始人物播报编辑年轻时的林恩·埃文斯林恩·埃文斯(Lyn Evans)，欧洲大型强子对撞机的领导者。是威尔士一位矿工的儿子，在阿布戴尔(Aberdare)中学时就对科学萌发了兴趣，获得了英国斯旺西大学的物理学博士学位。1969年，他花3个月时间访问了欧洲核子物理研究组织（CERN）项目。从此，他和妻子以及家人就定居在这里。65岁的威尔士人林恩·埃文斯大概可以算得上是这个世界上对“爆炸”最执着的人了。从小就爱用各种化学物质捣鼓点小爆炸的他，长大后又对宇宙大爆炸产生了兴趣。为了模拟宇宙大爆炸，解开宇宙之谜，他一手“策划”了堪称世界上最大科学实验的欧洲大型强子对撞机（LHC）项目。从设计，建造，到实验，埃文斯已经一路伴随这个项目走过了近16个年头。5个月前正式从欧洲核子研究中心（CERN）退休后，埃文斯渐渐放慢了工作节奏，但他依然没有离开LHC项目。尽管不再担任项目负责人，他在CMS（紧凑缪子线圈）实验小组中仍然担任着重要工作。研究课题播报编辑欧洲核子研究中心于2008年9月10日启动大型强子对撞机（LHC）。这个世界上最大的机器，有望揭开宇宙起源的奥秘在内五大谜团。过去几十年来，物理学家不断在细节上加深对构成宇宙的基本粒子及其交互作用的了解。了解的加深让粒子物理学的“标准模型”变得更为丰满，但这个模型中仍存在缝隙，以至于我们无法绘制一幅完整的图画。为了帮助科学家揭示粒子物理学上这些关键性的未解之谜，需要大量实验数据支持，大型强子对撞机便担负起“数据提供者”的角色，这也是非常重要的一个步骤。大型强子对撞机能够将两束质子加速到空前的能量状态而后发生相撞，此时的撞击可能带来意想不到的结果，绝对是任何人都无法想象的。牛顿未完成的工作——什么是质量？质量的起源是什么？为什么微小粒子拥有质量，而其它一些粒子却没有这种“待遇”？对于这些问题，科学家到也没有找到一个确切答案。最有可能的解释似乎可以在希格斯玻色子身上找到。希格斯玻色子是“标准模型”这一粒子物理学理论中最后一种尚未被发现的粒子，它的存在是整个“标准模型”的基石。早在1964年，苏格兰物理学家彼得·希格斯（ATLAS和CMS实验将积极寻找这种难于捉摸的粒子存在迹象。一个“看不见”的问题——96%的宇宙由什么构成？我们在宇宙中看到的一切——从小蚂蚁到巨大的星系——都是由普通粒子构成的。这些粒子被统称为物质，它们构成了4%的宇宙。余下的部分据信由暗物质——不发光的物质和暗能量构成，它们对于整个宇宙的构成与运行有着极其重要的作用。对它们进行探测和研究的难度不可想象。研究暗物质和暗能量的性质是当今粒子物理学和宇宙学面临的最大挑战之一。ATLAS和CMS实验将寻找超级对称的粒子，用于验证一种与暗物质构成有关的假设。大自然的偏好——为什么找不到反物质？我们生活在一个由物质构成的世界，宇宙万物——包括我们人类在内都是由物质构成的。反物质就像物质的一个孪生兄弟，但它却携带相反电荷。在宇宙诞生时，“大爆炸”产生了相同数量的物质和反物质。然而，一旦这对孪生兄弟碰面，它们就会“同归于尽”，并最终转换成能量。不知何故，少量物质幸存下来，并形成我们生活的宇宙，而它的孪生兄弟反物质却几乎消失得无影无踪。为什么大自然不能一碗水端平，平等对待这对孪生兄弟呢？LHCb实验将寻找物质与反物质之间的差异，帮助解释大自然为何如此偏向。此前的实验已经观察到两者之间的些许不同，但迄今为止的研究发现还不足以解释宇宙中的物质和暗物质为何在数量上呈现出明显的不均衡。“大爆炸”的秘密——物质在宇宙诞生后的第一秒呈什么状态？构成宇宙万物的物质据信来源于一系列密集而炽热的基本粒子。宇宙中的普通物质由原子构成，原子拥有一个由质子和中子构成的核子，质子和中子都是被称之为“胶子”的其它粒子束缚夸克形成的。这种束缚非常强大，但在最初的宇宙，由于温度极高加之能量巨大，胶子很难将夸克结合在一起。也就是说，这种束缚似乎是在“大爆炸”发生后的最初几微秒内形成的，此时的宇宙拥有一个由夸克和胶子构成的非常炽热而密集的混合物，也就是所说的“夸克-胶子等离子体”。ALICE实验将利用大型强子对撞机模拟大爆炸发生后的原始宇宙形态，分析夸克-胶子等离子体的性质。隐藏的世界——空间的额外维度真的存在吗？根据爱因斯坦广义相对论，人类生存的三维空间加上时间轴即构成所谓四维时空。后来的理论认为，可能存在拥有隐藏维度的空间。弦理论便暗示额外的空间维度尚未被人类观察到，它们似乎会在高能条件下显现出来。基于这种推测，科学家将对所有探测器获得的数据进行仔细分析，以寻找额外维度存在迹象。物理学家希望借由加速器对撞机来帮助他们解答下列的问题：标准模型中所流行的造成基本粒子质量的希格斯机制是真实的吗？真是如此的话，希格斯粒子有多少种，质量又分别是多少呢？当重子的质量被更精确的测量时，标准模型是否仍然成立的？粒子是否有相对应的超对称（SUSY）粒子存在？为何物质与反物质是不对称的？有更高维度的空间（Kaluza-Kleintheory,extradimensions）存在吗？我们可以见到这启发弦论的现象吗？宇宙有96%的质量是天文学上无法观测到的，这些到底是什么？为何万有引力比起其他三个基本作用力（电磁力，强作用力，弱作用力）差了这么多个数量级？重离子对撞机虽然LHC的物理实验计划，着重于研究质子对撞后的现象。然而，短期的如每年一个月的重离子对撞也在实验计划之中。虽然其他较轻的离子对撞实验也是可行的，主要的规划为铅离子的对撞实验。科学实验播报编辑利用大型强子对撞机（LHC）进行的6项实验都将均在国际合作的模式下完成，这些实验将世界各地的研究机构的科学家聚集在一起，共同见证激动人心的一刻。每一项实验都截然不同，这是由其使用的粒子探测器的独特性所决定的。两项大规模实验——ATLAS（超环面仪器实验的英文缩写，以下简称ATLAS）和CMS（紧凑渺子线圈实验的英文缩写，以下简称CMS）——均建立在多用途探测器基础之上，用于分析在加速器中撞击时产生的数量庞大的粒子。两项实验的研究规模和研究层面均达到前所未有的程度。使用两个单独设计的探测器是交叉确认任何新发现的关键所在。两项中型实验——ALICE（大型离子对撞机实验的英文缩写，以下简称ALICE）和LHCb(LHC底夸克实验的英文缩写，以下简称LHCb）——利用特殊的探测器，分析与特殊现象有关的撞击。另外两项实验——TOTEM（全截面弹性散射侦测器实验的英文缩写，以下简称TOTEM）和LHCf(LHC前行粒子实验的英文缩写，以下简称LHCf）——的规模就要小得多。它们的焦点集中在“前行粒子”（质子或者重离子）身上。在粒子束发生碰撞时，这些粒子只是擦肩而过，而不是正面相撞。ATLAS、CMS、ALICE和LHCb探测器安装在4个地下巨洞，分布在大型强子对撞机周围。TOTEM实验用到的探测器位于CMS探测器附近，LHCf实验用到的探测器则位于ATLAS探测器附近。大型离子对撞机实验为了进行大型离子对撞机实验，大型强子对撞机将让铅离子进行对撞，在实验室条件下重建“大爆炸”之后的宇宙初期形态。获得的数据将允许物理学家研究夸克-胶子等离子体的性质和状态，这种物质据信在“大爆炸”发生后只存在很短时间。宇宙的所有普通物质都是由原子构成，每个原子拥有一个由质子和中子构成的核子，核子周围环绕着电子。质子和中子都是被称之为“胶子”的其它粒子束缚夸克形成的。这种不可思议的强大束缚意味着，独立的夸克是永远也不会被发现的。ATLAS是大型强子对撞机两个通用探测器之一大型强子对撞机内上演撞击时产生的高温是太阳内部温度的10万倍。物理学家希望看到的是，质子和中子会在这种高温条件下“熔化”，并释放被胶子束缚的夸克。这么做将创造夸克-胶子等离子体，它们可能只存在于“大爆炸”之后，当时的宇宙仍处在极度高温之下。科学家计划在夸克-胶子等离子体膨胀和冷却过程中对其进行研究，观察它如何形成最终构成当前宇宙物质的粒子。共有来自28个国家的94个研究机构的1000多名科学家参与ALICE实验。ALICE探测器相关资料尺寸：长26米，高16米，宽16米重量：1万公吨位置：法国小镇圣吉利斯-珀利(StGenis-Pouilly）。超环面仪器实验超环面仪器实验ATLAS是大型强子对撞机两个通用探测器中的一个。此项实验涉及到物理学的很多领域，包括寻找希格斯玻色子、额外维度以及构成暗物质的粒子。与CMS的实验目的一样，ATLAS也将记录与撞击时产生的粒子有关的类似数据，即它们的路径、能量以及特性等等。虽然实验目的相同，但ATLAS和CMS探测器的磁铁系统却采用了完全不同的技术和设计。ALICE探测器ATLAS探测器巨大的圆环形磁铁系统是它的主要特征。这一系统由8个25米长的超导磁铁线圈组成。磁铁线圈分布在贯穿探测器中心的粒子束管周围，形成一个“圆筒”。实验过程中，磁场将被包含在线圈分离出的中央柱形空间内。共有来自37个国家的159个研究机构的1700多名科学家参与ATLAS实验。ATLAS探测器相关资料尺寸：长46米，高25米，宽25米，是迄今为止制造的个头最大的粒子探测器。重量：7000公吨位置：瑞士梅林(Meyrin)紧凑渺子线圈实验CMS实验利用一个通用探测器，对物理学的很多领域进行研究，包括寻找希格斯玻色子、额外维度以及构成暗物质的粒子。虽然实验目的与ATLAS相同，但这个探测器的磁铁系统却采用了完全不同的技术和设计。CMS探测器是在一个巨型螺管式磁铁基础上建成的。它采用圆柱形超导电缆线圈，可产生4特斯拉的磁场，相当于地球磁场的10万倍。这个巨大磁场受一个“铁轭”限制——探测器1.25万公吨的重量大部分来自“铁轭”。与大型强子对撞机的其它巨型探测器有所不同的是，CMS探测器并不是在地下建造，而是选在地上，后分成15个部分被运至地下，最后完成组装，这也算得上它的一大特色。共有来自37个国家的155个研究机构的2000多名科学家参与CMS实验。CMS探测器相关资料尺寸：长21米，宽15米，高15米重量：1.25万公吨位置：法国塞希（Cessy）。LHC底夸克探测器（LHCb）LHC底夸克探测器LHCb实验将有助于我们理解人类为何生活在一个几乎完全由物质而非反物质构成的宇宙。它通过研究一种称为“美夸克”（beauty quark）的粒子，专门对物质和反物质之间的微妙差异展开调查。LHCb实验不是将整个撞击点同密封探测器围起来，而是使用一系列子探测器去主要探测前行粒子（forward particle）。第一个子探测器将安装到撞击点附近，而接下来的几个将会一个挨一个安装，它们的长度都超过20米。大型强子对撞机将创造出大量不同类型的夸克，然后它们将快速蜕变为其他类型。为捕捉到“美夸克”，LHCb项目小组已开发出先进的可移动跟踪探测器，并安装在围绕于大型强子对撞机周围的光束路径附近。LHCb项目小组由来自13个国家48所研究机构的650位科学家组成。LHC底夸克探测器相关资料尺寸：长21米，高10米，宽13米重量：5600吨设计：具有平面探测器的前向接受谱仪地点：法国费尔奈-伏尔泰全截面弹性散射探测器全截面弹性散射探测器实验研究前行粒子，以重点分析普通实验难以获得的物理学原理。在一系列研究中，它将测量质子大小，还将准确监控大型强子对撞机的光度。想要做到这一点，全截面弹性散射探测器就必须要捕捉到距大型强子对撞机光束非常近的距离产生的粒子。它由一组安放在称为“罗马罐”（Romanpot）的特制真空室的探测器组成。“罗马罐”同大型强子对撞机的光束管道相连。8个“罗马罐”将被一对一对地置于CMS实验撞击点附近的四个地点。尽管从科学意义上讲这两次实验是独立的，但TOTEM实验将是CMS探测器和其他大型强子对撞机实验所获结果的有力补充。来自8个国家10所研究机构的50位科学家将参与TOTEM实验。全截面弹性散射探测器相关资料尺寸：长440米，高5米，宽5米重量：20吨设计：“罗马罐”，GEM探测器和阴极条感应室地点：法国塞斯（位于CMS附近）LHCf探测器大型强子对撞机LHCf实验将用于研究大型强子对撞机内部产生的前行粒子，作为在实验室环境下模拟宇宙射线的来源。宇宙射线是自然产生于外太空的带电粒子，不断轰击地球大气层。它们在高层大气与核子相撞，产生一连串到达地面的粒子。研究大型强子对撞机内部撞击如何引起类似的粒子串有助于科学家解释和校准大规模宇宙射线实验，这种实验会覆盖数千公里的范围。来自4个国家10所研究机构的22位科学家将参与LHCf实验。LHCf探测器相关资料尺寸：两个探测器，每个长30厘米，高80厘米，宽13厘米重量：每个重40公斤地点：瑞士梅林（位于ATLAS附近）粒子对撞实验2015年3月26日，据国外媒体报道，在中断了两年之后，大型强子对撞机终于准备再次启动，进行能量更强的粒子对撞实验。该实验本应于本周开始，然而由于上周六刚刚发现的一起短路故障，这一计划不得不向后推迟。 [6]技术改进播报编辑升级计划大型强子对撞机有提议在十年内LHC需要作一个硬件性能的提升。认为LHC需要作基本上硬件的修改以提升它的亮度（单位截面碰撞发生的频率）。理想中LHC升级的途径将是包含增加粒子束的流量，以及修改两个需要高亮度的区域：ATLAS与CMS这两个侦测器来配合。下一代超大型强子对撞器的入射能量需增加到1 TeV，因此前置入射装置也需作一个升级的动作，特别是在于超级质子同步加速器的部分。分布计算LHC@Home是一个分布式计算的计划，用来支持LHC兴建与校正之用。这个计划是使用BOINC平台，来模拟粒子如何在加速器隧道中运行。有了这项资讯，科学家便可以决定如何放置磁铁与调整功率，来达到加速轨道运行的稳定。安全考量在美国RHIC开始实验之时，同时包含内部的研究者与其他外部的科学家，都有担心类似的实验可能会引发理论上的一些灾难，甚至摧毁地球或是整个宇宙：创造出一个稳定的黑洞；创造出比一般物质更稳定的奇异物质（构成假说中的奇异星的物质）吸收掉所有一般物质；创造出磁单极促成质子衰变造成量子力学真空态的相变到另一个未知的相态。RHIC与CERN都有进行了一些研究调查，检视是否有可能产生例如微黑洞，微小的奇异物质（奇异微子）或是磁单极等危险的事件。[8]这份报告认为“我们找不到任何可以证实的危害”例如，除非某个未经证实的理论是对的，否则是不可能产生出微小黑洞的。即使真的有微黑洞产生了，预期会透过霍金辐射的机制，很快就会蒸发消失，所以会是无害的。而认为即使像LHC这样高能量的加速器的安全性，最有力的论点在于一个简单的事实：宇宙射线的能量是比起LHC来要高出非常多数量级的，太阳系星体从形成这么多年下来，都不断地被宇宙射线轰击。既没有产生出微黑洞，微小的奇异物质或是磁单极来，太阳、地球和月球也都没有因此而被摧毁。然而，仍有一些人还是对LHC的安全性有疑虑：像是这一个有着许多新的，未经测试过的实验，是没有办法完全保证说上述的情况不会发生。JohnNelson在伯明翰大学谈到RHIC说“这是非常不可能会有危害的-但是我无法百分之百保证。”另外在学术界，对于霍金辐射是否是正确的，也是有一些疑问。RHIC自2000年运作后，都没有有产生可以摧毁地球的物质的迹象。经费支出播报编辑LHC的建造经费最初是1995年通过的一笔26亿瑞朗，另有一笔两亿一千万元瑞朗的经费作为实验之用。然而，经费超支。在2001年的一次主要审核预期，将需增加四亿八千万元瑞朗在加速器的建造，与五千万元瑞朗的支出在实验运作上。同时，由于CERN年度预算的缩减，LHC的完工日期由2005年延后到2007年四月，以使用更多年度预算来支付。其中增加的一亿八千万元瑞朗，在于超导磁铁的制造上。另外，尚有在兴建放置CMS的地下洞穴时，遭遇到工程技术上的困难。预期的建造总额约为八十亿元美金。建设意义播报编辑大型强子对撞机将两束质子分别加速到14TeV（14万亿电子伏特）的极高能量状态，并使之对撞。其能量状态可与宇宙大爆炸后不久的状态相比。粒子物理学家将利用质子碰撞后的产物探索物理现象，例如，寻找标准模型预言的希格斯粒子、探索超对称、额外维等超出标准模型的新物理。或许有人会认为，像高能物理学领域高深的理论研究与我们的日常生活没关系，花费数十亿美元有些不值得。100多年前，爱因斯坦发现了质能方程，那就是质量与能量可以互相转化。许多人也认为这个方程毫无用处。但是，以这种理论指导而研制出来的原子弹，让人们见识了高能物理的可怕之处。随后，核能用于发电，又让人们认识到质能方程真正改善了我们的生活。LHC可以使人类的科学技术迈进一大步。例如，反物质的形成与合成将变得可能。寻找到反物质及其合成方法，将有可能解决我们的能源危机问题，并且成为太空旅行和星际旅行的首选燃料。反物质拥有难以置信的力量，仅仅是少量的反物质，其与物质湮灭所产生的能量就可以与几百万吨当量的核弹相提并论。（物质与反物质的湮灭质能转化率为100%，是核弹的几十倍。）将来有一天，不但人类可以乘坐反物质推动的飞船遨游太空，家里的电器使用的电能也将来自反物质发电厂。此外，在建造这个大型实验装置的过程中，科学家已经获得了许多科研成果，已经改善了我们的生活。比如，我们今天常用的互联网最初就是欧洲核子研究中心的科学家为了解决数据传输问题而发明的。另外，强子对撞机还将带来一些意想不到的科研成果，譬如改进癌症治疗、摧毁核废料的方法以及帮助科学家研究气候变化等。现有的放射疗法可能会在杀死癌细胞的同时伤害周围的健康组织，对撞机产生的高能粒子束能够将这种伤害降到最低，因为它们能够穿过健康组织，只对肿瘤发挥作用。一些气象学家表示，如果发现高能粒子束促成了云的形成，人们将来可以通过控制宇宙射线来改变气候。获得荣誉播报编辑世界上最大的机器世界最大粒子对撞机大型强子对撞机的精确周长是2.6659万米，内部总共有9300个磁体。大型强子对撞机不仅是世界上最大的粒子加速器，而且仅它的制冷分配系统（cryogenic distribution system）的八分之一，就称得上是世界上最大的制冷机。制冷分配系统在充满近60吨液态氦，将所有磁体都冷却到零下271.3℃（1.9开氏度）前，它将先利用1.008万吨液态氮将这些磁体的温度降低到零下193.2℃。世界上最快的跑道功率达到最大时，数万亿个质子将在大型强子对撞机周围的加速器环内以每秒1.1245万次的频率急速穿行，它们的速度是光速的99.9999991%。两束质子束分别以70000亿电子伏特的最大功率相向而行，在功率达到140000亿电子伏特时发生碰撞。每秒总共能发生大约6亿次撞击。太阳系中最空的空间大型强子对撞机隧道内的冷磁体为了避免加速器中的粒子束与空气分子相撞，这些粒子束在像行星间的空间一样空荡的超真空环境中穿行。大型强子对撞机的内压是10^（-13）（10的负13次方）个大气压，比月球上的压力小10倍。银河系最热点大型强子对撞机是一个极热和极冷并存的机器。当两束质子束相撞时，它们将在一个极小的空间内产生比太阳中心热10万倍的高温。与之相比，促使超流体氦在加速器环周围循环的制冷分配系统，让大型强子对撞机保持在零下271.3℃（1.9开氏度）的超低温环境下，这个温度比外太空的温度还低。史上最先进的探测器进行安装时电脑中心的场景为了抽样检查和记录每秒多达6亿次的质子相撞结果，物理学家和工程师已经制造了测量粒子的精确度是微米的庞大仪器。大型强子对撞机的探测器拥有先进的电子触发系统，它测量粒子经过时所用时间的精确度，大约是十亿分之一秒。这个触发系统在确定粒子的位置时，精确度可达百万分之一米。这种令人难以置信的快速和精确反应，是确保一个探测器连续层内记录的粒子保持一致的基础。世界最强大计算机系统记录大型强子对撞机进行的每项大试验的数据，每年大约足够刻10亿张双面DVD光盘。据估计，大型强子对撞机的寿命是15年。为了让世界各地的数千名科学家在未来15年内通力合作，分析这些数据，分布在世界各地的好几万台电脑将利用一种被称作网格的分散式计算网（distributed computing network）实施研究工作。世界各地的数千名科学家都希望了解并分析这些数据。为了解决这个问题，欧洲粒子物理研究所（CERN）正在建一个分散的计算和数据储存设施——大型强子对撞机计算网格（LCG）。大型强子对撞机实验产生的数据，将通过欧洲粒子物理研究所记录在磁带进行原始文件备份后，再分发到世界各地。经过初始加工，这种数据将被传送到可为大量数据提供充足储存空间的一系列大型计算机中心，这些计算机中心一天二十四小时不停地为大型强子对撞机计算网格提供服务。中国台湾也参与其中，负责其中两项重要系统的研发，并处理庞大实验数据。亚洲的电脑中心就设在台湾的中研院。这次台湾约有40名科学家参与这项国际实验，负责世界上最大与最重的侦测器研发，而且处理庞大实验数据所倚赖的「网格电脑」就设在台湾的中研院。经过这些计算机中心的处理，其他设备就可使用这些数据了，其他的设备每个都有一个或几个实施特殊分析任务的联合计算机中心组成。当个科学家可通过大学部门的局域网或个人电脑了解这些设备，这些人可能会经常查看大型强子对撞机计算网格。模拟现象探索播报编辑大型强子对撞机大型强子对撞机（LHC）产生的能量是其他粒子加速器以前都无法达到的，但是自然界中的宇宙光相撞产生了更高的能量。多年来，这种高能粒子相撞产生的能量的安全性问题，一直备受关注。据新实验数据和对相关理论的新认识显示，大型强子对撞机安全评估团（LSAG）已经重新校正了该团在2003年做出的一份调查分析。这个安全评估团由中立派科学家组成。2003年，有关报告称大型强子对撞机碰撞不存在风险，因此没理由对安全问题过多关注。大型强子对撞机安全评估团对这些结论进行了重新审定和补充。不管大型强子对撞机将要做什么，自然界在地球和其他天体的一生中，已经这样做了很多次。欧洲粒子物理研究所科学政策委员会（CERN's Scientific Policy Committee）已经重新审查了大型强子对撞机安全评估团的报告，并对该团的观点表示赞成。欧洲粒子物理研究所科学政策委员会是由为欧洲粒子物理研究所的主管团体——董事会提建议的院外科学家组成。欧洲粒子物理研究所总结出的主要论据，可支持大型强子对撞机安全评估团的论文观点。任何对更多细节感兴趣的人，都被鼓励直接商讨这个问题和它涉及的技术科学论文。宇宙射线寻找希格斯玻色子跟其他粒子加速器一样，大型强子对撞机在受控实验室环境中重新再现了宇宙射线的自然现象，这使科学家能对宇宙射线进行更加详细的研究。宇宙射线是外层空间产生的粒子，其中一些粒子通过加速，产生的能量远远超过了大型强子对撞机产生的能量。在大约70年的实验中，宇宙射线传播到地球大气层的能量及速度都已经被监测到。在过去的数十亿年间，地球上的自然界内发生的粒子撞击次数，已经相当于大约100万次大型强子对撞机实验，可是地球仍然存在。天文学家在宇宙中观测到大量体积更大的天体，它们都受到宇宙射线轰击。宇宙的运行情况，就如同像大型强子对撞机一样的实验每秒运行超过数百亿次。任何危险结果的可能性与天文学家看到的现实相矛盾，因为恒星和星系仍然存在。微型黑洞当比我们的太阳更大的特定恒星在生命最后阶段发生爆炸时，自然界就会形成黑洞。它们将大量物质浓缩在非常小的空间内。假设在大型强子对撞机内的质子相撞产生粒子的过程中，形成了微小黑洞，每个质子拥有的能量可跟一只飞行中的蚊子相当。天文学上的黑洞比大型强子对撞机能产生的任何东西的质量更重。据爱因斯坦的相对论描述的重力性质，大型强子对撞机内不可能产生微小黑洞。然而一些纯理论预言大型强子对撞机能产生这种粒子产品。所有这些理论都预测大型强子对撞机产生的此类粒子会立刻分解。因此它产生的黑洞将没时间浓缩物质，产生肉眼可见的结果。虽然稳定的微小黑洞理论站不住脚，但是研究宇宙射线产生的微小黑洞结果显示，它们没有危害。大型强子对撞机内发生的撞击，与地球等天体和宇宙射线发生碰撞不同，在大型强子对撞机内的碰撞过程中产生的新粒子，一般比宇宙射线产生的粒子的运行速度更加缓慢。稳定的黑洞不是带电，就是呈中性。不管是宇宙射线产生的粒子，还是大型强子对撞机产生的粒子，如果它们带电，它们就能与普通物质结合，这个过程在粒子穿越地球时会停止。地球依然存在的事实，排除了宇宙射线或大型强子对撞机可产生带电且危险的微小黑洞的可能性。如果稳定的微小黑洞不带电，它们与地球之间的互动将非常微弱。宇宙射线产生的那些黑洞可以在不对地球造成任何危害的情况下穿过它，进入太空，因此由大型强子对撞机产生的那些黑洞也可继续停留在地球上。然而，宇宙中有比地球更大更密集的天体。宇宙射线与中子星或白矮星等天体相撞产生的黑洞可处于休眠状态。地球等这种致密体继续存在的事实，排除了大型强子对撞机产生任何危险黑洞的可能性。奇异微子与‘天使粒子’马约拉纳费米子的存在‘天使粒子’奇异微子是针对一种假设的微小“奇异物质”产生的术语，奇异物质包含几乎与奇异夸克数量一样的粒子，‘天使粒子’则是探索‘马约拉纳费米子’一种正负粒子同体的‘独立’粒子晶格。根据理论成分最高的研究显示，奇异微子在一百万分之一千秒内，能转变成普通物质。但是奇异微子能否与普通物质结合，变成奇异物质？2000年相对论重离子对撞机（RHIC）在美国第一次出现时，人们提出了这个问题。当时的一项研究显示，人们没有理由关注这个问题，相对论重离子对撞机已经运行8年，它一直在寻找奇异微子，但是仍一无所获，奇异微子也许是一种重质量的‘惰性中微子’的存在。有时大型强子对撞机就像相对论重离子对撞机一样，需要通过重核子束运转。大型强子对撞机的光束拥有的能量将比相对论重离子对撞机的光束拥有的能量更多，但是这种情况使奇异微子形成的可能性更小。就像冰不能在热水中形成一样，像这种对撞机产生的高温，很难让奇异物质结合在一起。另外，夸克在大型强子对撞机中比在相对论重离子对撞机中更加微弱，这使它很难聚集奇异物质。因此在大型强子对撞机内产生奇异微子的可能性，比在相对论重离子对撞机内更小。这个结果已经证实奇异微子不会产生的论点。奇异微子--惰性中微子的存在真空泡沫曾有推测认为，宇宙没处在它最稳定的状态，大型强子对撞机产生的微扰将能让它进入更加稳定的状态，这种状态被称作真空泡沫，在这种状态下人类将不复存在。如果大型强子对撞机确实能做到这些，难道宇宙射线碰撞就无法达到这种效果吗？由于在肉眼可见的宇宙中的任何地方都没产生这种真空泡沫，因此大型强子对撞机将不能产生这种物质。磁单极子磁单极子是假设中带单极性磁荷的粒子，每个只拥有北极或南极。一些纯理论指出，如果它们确实存在，磁单极子将导致质子消失。这些理论还表示，这种磁单极子因为太重，根本无法在大型强子对撞机内产生。然而，如果磁单极子的重量足以在大型强子对撞机内出现，宇宙射线撞击地球大气层早就该产生这种物质了，如果它们确实存在，地球能非常有效地阻止并捕获它们，现在人们应该已经发现它们。地球和其他天体继续存在的事实，排除了能吞噬质子的危险磁单极子的重量足够轻，可以在大型强子对撞机内产生的可能性。模拟爆炸2010年11月8日，科学家们开始利用位于瑞士和法国边境的欧洲大型强子对撞机制造小型“宇宙大爆炸”，模拟近140亿年前宇宙形成的瞬间过程。这是该机器第一次使用铅离子进行对撞，以往实验均使用质子。铅离子和质子统称“强子”，但前者比后者更大、更重。8日开始的实验取名为“爱丽丝”（ALICE），是“大强子对撞实验”的英文缩写。实验第一阶段任务将于2010年12月完成。在全长约27公里的环形轨道内部，两束铅离子束流朝着相反的方向前进，它们每运行一圈，就会获得更多的能量，速度也随之增加。对撞瞬间产生的高温相当于太阳核心温度的10万倍，即10万亿度。据信这个温度就是137亿年前宇宙大爆炸刚刚发生后百万分之几秒内的温度。在这一温度下将产生“夸克—胶子等离子体”。现有物理学理论认为，宇宙诞生后的百万分之几秒内，宇宙中曾存在过一种被称为“夸克—胶子等离子体”的物质。科学家们希望通过迷你“宇宙大爆炸”实验，解开宇宙形成之谜。科学研究播报编辑2022年10月，大型强子对撞机（LHC）紧凑渺子线圈（CMS）国际合作组在最新一期《自然·物理学》杂志上撰文指出，他们对希格斯玻色子的质量分布——“宽度”作了迄今最精确测量：3.2兆电子伏特。 [9]科学家们在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）上发现了一种新粒子，其被称为“奇异的五夸克”。相关论文刊发于2023年7月出版的《物理评论快报》杂志。在最新研究中，科学家们通过以极高的能量让两束质子发生对撞，从而发现了这一新粒子，最新发现的五夸克粒子包含一个奇异夸克。 [11]新手上路成长任务编辑入门编辑规则本人编辑我有疑问内容质疑在线客服官方贴吧意见反馈投诉建议举报不良信息未通过词条申诉投诉侵权信息封禁查询与解封©2024 Baidu 使用百度前必读 | 百科协议 | 隐私政策 | 百度百科合作平台 | 京ICP证030173号京公网安备110000020000

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大型强子对撞机（LHC）的目的和原理是什么？ - 知乎

大型强子对撞机（LHC）的目的和原理是什么？ - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答切换模式登录/注册实验物理粒子物理学欧洲核子中心 (CERN)大型强子对撞机（LHC）的目的和原理是什么？理论物理学界近年来热衷于“大型强子对撞机”的实验，是为了研究什么？其设计和实验原理又是什么呢？关注者701被浏览197,758关注问题写回答邀请回答好问题 81 条评论分享14 个回答默认排序黄豆子粒子物理学话题下的优秀答主关注这个问题的答案如果全部说清楚几乎是不可能的……我努力简化出一个浅显易懂，并且逻辑清晰的答案。我更希望答案的逻辑可以让更多非物理领域的读者了解粒子物理科研解决问题的基本思考方式。零，前言问题问的是LHC的目的和原理，我认为比较合适的逻辑顺序是：要解决什么问题其中LHC能做什么（目的）LHC怎么实现这些目的（原理）有很多角度可以阐述，我的描述会围绕“标准模型”这一理论展开。一，需要解决的问题我们可以认为所谓需要解决的问题就是，现状和物理终极目标之间的差距。终极目标：理论物理这门学科的终极目标很大程度上可以归纳为“建立一套自洽的、能够解释客观世界一切运行规律的理论”。（*所谓客观世界的规律其实可以解说为基本粒子和相互作用）现状：经过几代物理学家的完善，我们现在有一个叫做标准模型（Standard Model）的理论。这套理论基本上自洽，可以解释大部分客观世界运行规律。拿标准模型和终极目标一比较，我们就可以发现，我们的问题是标准模型内部的自洽性和正确性标准模型解释不了的现象为了解决这两个泛泛的问题，我们可以进一步将问题具体化为标准模型理论的推论是否合理以及正确，理论预测是否都符合实验结果？标准模型是最基本的理论，以其为出发点，对于现有现象，不同的解释都能说通，那么其中哪一个是对的？现在有些现象标准模型解释不了，理论学家提出不同于标准模型的理论，那么其中哪一个是对的？（*考虑到标准模型现有的成功，我们几乎可以认为标准模型不会是“完全”不正确的理论，只是可能是不够基本的理论，所以理论学家建立的新理论应该包括标准理论，或者说可以在某种极限下回到标准模型。）还有哪些新的现在没有发现的现象也是标准模型解释不了的？二，其中LHC能做什么下一步我们想要将上述所提到的理论问题，转换为实验思维，叙述成具体的实验行为。而针对粒子物理领域（在凝聚态，非线性结构等等领域也仍有很多物理界尚未理解的问题，我们这里只讨论粒子物理领域），实验可以做哪些事？（A）用实验寻找标准模型预测了但还没找到的粒子，以及测量标准模型的各种常数（B）标准模型不同解释会预测不同现象，用实验去鉴定哪个预测会真的发生（C）不同标准模型以外的新理论会预测不同现象，用实验去鉴定哪个预测会真的发生（D）创造极端条件，产生新现象以上四条，其实多少可以概括LHC建立的目的。进一步考虑标准模型的具体内容，可以列出一系列具体的话题，包括（每条后面标注的字母是说属于上述列出的哪种实验）寻找Higgs Boson(s)（希格斯玻色子）(A)研究Quark-gluon plasma（夸克胶子等离子体）中粒子的相互作用 (B)研究Heavy flavor（重夸克）粒子的性质 (B)Hierarchy Problem (C)寻找Dark matter（暗物质）的候选粒子 (C)Matter-Antimatter asymmetry（反物质去向）(C)Extra dimensions （高维度）(C)Subatomic structure（C）……上述这些具体话题的理解需要相关理论知识的支持，所以不懂也没有关系。在附录里我非常简略地介绍了每个话题背后的大命题。三，LHC怎么实现上述目标为什么要做“高能”实验虽然上述话题看起来各种各样，但是归根到底实验要做的就是两种事，一种是产生粒子（Higgs，Dark matter，Extra dimensions，Heavy flavors等），一种是产生极端环境研究相互作用（Quark-gluon plasma, Antimatter等）。根据众所周知的质能方程E=mc^2，我们知道通过给予一定的能量，可以通过相互作用产生一定质量的粒子。所谓极端环境其实就是高能量高温度高密度。所以其实我们可以简单地这样认为，无论采取怎样的手段，高能实验的目标就是产生足够高的能量，这也是粒子物理实验也被称为高能物理实验的原因。高能实验的原理其实绝大多数实验的过程都可以归结为“产生初态，相互作用，探测末态”三个步骤，而高能物理实验也不例外，甚至这种步骤的分割还更为鲜明。产生初态：产生要作用的粒子，并且加速到足够高的能量。高能实验里一般用加速器来实现粒子的加速。相互作用：一方面初态的粒子要相互作用（电弱作用，强作用）才可能产生新粒子，另一方面相互作用的性质本身也是我们的研究对象。高能实验一般靠对撞（相互运动的粒子撞击作用）和打靶（运动的粒子和静止的粒子撞击作用）实现相互作用。探测末态：我们通过探测末态的粒子种类和参数（动量、能量、速度等等），和初态相比较，就可以1反推中间过程产生的粒子，2反推相互作用的性质，而这正是我们想要知道的。在高能实验里我们一般用粒子探测器来实现末态探测。在附录里我会简单介绍一下探测器的工作原理。加速器有很多很多很多种，探测器也有很多很多很多种，我们不可能展开讲，有兴趣的人可以自行搜索相关文献。LHC的具体情况上面说了高能实验的原理，这里简单说说LHC的情况。产生初态：LHC的中文全称是大型强子对撞机，所以显然初态是强子。比如你要是听到北京正负电子对撞机，你就知道初态是正负电子，so easy！LHC具体是使用质子或铅原子核。加速器是直线加速器+环形同步加速器的逐级加速。我会在附录里简单介绍一下同步加速器。相互作用：看到中文全称就知道它使用的是对撞而非打靶，而事实上物理系的本科生都会计算一道作业题来证明对撞比打靶有效能量更高。探测末态：LHC有四个探测器，分别是CMS，ATLAS，ALICE和LHCb。四个探测器针对不同的物理目标，侧重探测不同的粒子。四，附录和LHC有关的物理命题Higgs Boson(s)：标准模型对于质量产生机制的描述预测了一种粒子（玻色子），这种粒子被命名为Higgs。Higgs之所以被关注是因为标准模型预测的其他所有粒子都已经在实验中被发现，而如果Higgs也被找到，则是对标准模型正确性的一个很大的支持。2012年7月4号CMS和ATLAS宣布发现了一种质量为126.5GeV的新玻色子。而它具体是不是标准模型预测的Higgs，还需要进一步的确认（而我想大部分人大概都接受了它就是Higgs的假设……除此之外还有没有其他Higgs，也是LHC关注的一个话题。Subatomic structure：人们对于宇宙的了解有一个不能忽略的问题就是有没有最小的组成单元，而如果有，那么什么是最小的组成单元。这里名字虽然叫Subatomic structure，但事实上距今为止我们已知的最小的单元早已不是原子，而是夸克和电子。那么夸克和电子到底是不是最基本的单元呢？我们还不知道。有些并不显著的效应暗示还有亚电子结构，但是至今也还不能确认。所以这个方向的探索也还会继续进行。Quark-gluon plasma：如果有人听说过夸克禁闭的概念，大概知道夸克这种粒子由于强作用的特点而在一定程度上被限制不能单独存在。而QGP则是一种极端环境下夸克胶子的自由态。QGP被认为存在于大爆炸初期的某个时期中，所以我们希望通过研究QGP来了解大爆炸过程中发生过什么事，也希望了解和宇宙起源有关的信息。Hierarchy Problem：现有的物理理论认为宇宙中的相互作用可以分为四类，分别是引力作用，电磁作用，弱作用和强作用（其中电磁和弱作用可以由电弱作用理论统一起来）。而我们可以观察到万有引力作用往往远小于其他作用。所以我们想知道这是为什么。也许你会想大自然就是这样设定的并没有什么原因，然而这种不寻常的差异往往背后有更本质的原因。比如我们也在研究为什么轻子和夸克是三代，为什么代与代之间质量差别如此之大。这些都是我们想要知道的。Dark matter：暗物质是宇宙中大量存在的我们尚不了解的物质。因为这种物质不和其他物质发生电磁作用，也就是说它不会吸收、发射光，也不会辐射任何电磁波，所以被称为暗物质。在宇宙中存在着我们不了解的物质，我们当然希望知道这是怎样的粒子组成的，它有什么性质等等。Matter-Antimatter asymmetry：在大爆炸之初，应该产生了相同数量的物质和反物质，而如今我们看到的是物质远远多于反物质，所以宇宙演化过程中发生了什么，这是我们想要知道的。在LHC主要是LHCb在做antimatter。Extra dimensions：我们生活在一个三维空间+时间的四维时空环境里，这是真的吗？这个宇宙有没有更高的维度呢？这是我们想要知道的。前面我们说到引力的强度往往远远小于其他作用，有没有可能是因为引力作用在更高维的空间中被分散了呢？这是一种假设。粒子探测器的原理首先粒子探测器的目标是探测（有没有粒子经过）和测量（经过粒子的性质）。所以其实探测器也可以和高能实验一样分为三个部分：入射粒子和探测器物质、相互作用、响应输出。探测器物质和入射粒子相互作用，将入射粒子的信息转化为光信号、电信号等易于测量的信息作为响应输出。我们熟悉粒子和探测器物质的作用情况，所以我们可以根据输出信号及作用情况反推出入射粒子的信息，这就是粒子探测器的原理。同步加速器无论怎样的形状和设计，粒子加速器归根结底就是靠电场做功加速粒子，使之获得能量。LHC所使用的同步加速器是一种回旋加速器。回旋加速器是让粒子在磁场中作偏转运动，也就是绕圈圈。每个周期靠电场加速两次。回旋加速器会比直线加速器占用更少的空间。所有理科高中生都做过的作业证明在不考虑相对论效应的情况下，无论加速到怎样的能量，粒子作回旋运动的周期不变，这使得在交流电压的控制变得异常简单。然而现实是残酷的，在高能实验中粒子所达到的能量往往足够高以至于必须考虑相对论效应。这一方面使得粒子回旋运动的周期会变化，另一方面轫致辐射所浪费的能量也必须予以考虑。同步回旋加速器通过电场和磁场的控制实现同步，保证粒子每次经过电场的时候都恰好是在加速（此所谓同步）。最后送你一朵烟花：）编辑于 2015-07-28 15:43赞同 52443 条评论分享收藏喜欢收起xinran li表达能力差关注不好意思，前半篇跑题了，想看与题主问题相关的请直接跳到分割线处><可以看纪录片 particle fever Particle Fever 粒子狂热很好的记录了LHC的整个运行到higgs结果发布的过程，通过片子就能稍有概念这一群物理学家都在想什么干什么。关于设计和实验原理。。。这个问题是不是可以开一门4学分的研究生课啊。。。这里简单说一下吧。作为一个大四的学生，我完全不敢说自己真正明白，仅仅是希望能让更多的人了解看起来很神秘的高能物理和对撞机实验。首先这属于高能物理实验。所谓高能物理就是能量很高啦～高到什么地步呢？keV的量级就可以算是高能了。这是什么概念呢，就是说在这个能区内，原子开始展现出其内部结构，能量越高，我们能够看到的细节越多，从原子到质子中子，到夸克，这些多少会听说过的名称实际上都是经过不断的实验积累和理论上的推测发现并确定其性质的。现在LHC能够达到7TeV，这又是什么概念呢？这对应着宇宙爆炸后非常非常短的时间内的能量和物质密度，一切所知的物质结构都被打散，只剩下最基本的目前认为不可被分割的基本粒子。不过请不要试图用切西瓜或者其他经典图像来照搬，基本粒子的存在方式、其间的关系和相互作用是需要专业的数学预言来描述的。只有当深入的学习，搞清楚这些数学和物理本质以后，逐步建立起量子、场等概念才能进行深入的讨论。好啦，再说加速器实验。加速器实验是高能实验中重要的也是最庞大、消耗人力物力的实验。不过加速器也没有离我们生活这么远，我们经常听说的照X光片，治疗癌症的放疗，重离子加速癌症治疗（我国目前兰州重离子加速器HIRFL就是正在运行的一台，可以参见重离子加速器治疗癌症靠谱吗？ - 物理学，据说治疗后5年寿命保证率达到99%）。加速器仅仅是一种仪器，用来赋予被加速的粒子能量。被加速的粒子可以是非常轻的电子，也可以是很重的重离子，比如说金离子。而且加速达到的能量也不同。加速不同的粒子用于研究不同的问题。比如基础物理实验，为了一个简单的实验条件和干净的背景，就使用极高能量的电子，像计划中的ILC，国际直线加速器。或者为了研究核物理、高密高压物理就会使用离子加速。目前世界上各种类型各种能区的加速器非常多，处于激烈的竞争之下。因为加速器投入大，如果有人在相同能区比你做的好，那么你的加速器就没有用了。（这里要说到我国的北京谱仪，靠着高亮度和束流质量，曾经在正负电子对撞领域迫使欧洲美国的相同能区2-5GeV加速器停机，并一直独占此能区到现在。北京正负电子对撞机（4.15更正：有同学提出了质疑，我也会再仔细调查一下。总之，我在这里想说北京谱仪是在国际上有过一定地位的））另外，加速器还可以做医疗、光源（比如上海光源、散裂中子源等）有及其丰富和科研、民用和商业价值。加速器实验的另一个要素就是探测器。加速器只是用来制备实验对象，还要对其进行观察。这就需要用到探测器。没有加速器也是可以做高能实验的，比如暗物质探测（靠天）、中微子（靠太阳靠核电站）、高能宇宙线（比LHC不知道高到哪里去了）、质子衰变（就是慢慢等）、双beta衰变（还是慢慢等）等等。这些实验都需要特殊设计的探测器来记录粒子的信息并进行反推，得到物理事例的原貌，最终得到实验结论。所以说不要误解加速器实验。其中对于物理来讲最重要的一部分就是探测器。好像刚刚谈到题主的问题TAT。。。不好意思跑题了。。。。=========================我是前面说的分割线======================LHC上有4个加速器，分别是ATLAS,CMS,LHCb,和ALICE。这四个探测器设计各有偏重，对应与不同的物理问题的研究。大型強子對撞機关于研究的问题，其他答主已经说的挺明白了。或者换句话说，就是理论物理前沿的方向性问题、下一步物理将走向何方。这也就是为什么人类会愿意投入100亿美金来建造这个庞然大物。关于实验原理，实际上还要从最基本的讲起。首先，对撞干了什么？对撞就是把粒子打散，打的越散越好，可以形象的理解为真的是碎成渣渣了。为什么要这样呢？因为粒子的细致结构是藏在外部之下的。当两辆车迎面相撞的时候，速度越快，撞的越厉害，发动机啊，座椅啊车皮啊飞得到处都是。要是想知道发动机是怎么工作的呢？那我们就开得再快一些，这样撞的就更散了，发动机里面的活塞什么的都飞出来了。这样就知道发动机是如何工作的了。但是大自然还存在着更神奇的力量，当这些最细小的零件被裸露出来时，它们还会被随机的拼装，装成任何可能组装成的东西。比如说，10^10辆车相撞，都撞得稀烂，零件乱飞，然后就会恰巧的产生出火车、飞机、UFO神马的，在对撞机中也就对应着新粒子的生成。然而这些新组装出来的东西不一定是稳定的。每一个不是基本粒子的粒子都有其寿命，随着时间都有一定的概率衰变成零件。然后零件们又会组装成生成概率最大的东西。而且有可能在这个过程中能量不够了，不再能组装回衰变前的东西。比如说，两辆车非常非常高的速度相撞，撞出一个火车，然后火车开了没有10米就散架了，然后碎裂的零件形成了5量小车。这是一个能量转换成质量的过程，完全是有可能发生的。一句话说，只要能量足够，物理过程允许，一切粒子都有可能产生。上面说的就是对撞机中发生的物理过程。这种对撞、产生新粒子、又衰变为稳定粒子的过程叫做共振。当对撞粒子的能量在新粒子质量附近时，就会产生大量的新粒子，并通过上述反应得到具有一定特征的末态稳定粒子分布。根据这个特征，物理学家会定义一些物理量（不变质量，或者末态粒子空间分布、能量分布等等），并根据末态粒子的状态计算这个量。当共振存在时，就像真的共振一样，这个量就会形成共振峰。对撞机就是通过探测器记录末态粒子的状态并反推发生的物理过程，筛选出感兴趣的过程和对应的末态，计算那个物理量，并进行统计，得到这个量的统计分布。当中间态的新粒子真实存在时，就会观察到一个共振峰的存在，即不变质量在末一个位置集中分布。根据这个峰，我们可以得到新粒子的质量和寿命。而所谓的结果的几个sigma是指认为这个峰在统计上存在于这个位置的可能性。并且根据空间分布等信息可以得到这个新粒子的自旋、反应的通道等等。好了，知道了对撞机内的物理过程和实验设计思路，我们就要看探测器是如何完成对末态粒子的记录并重构物理事件的。且听下回分解。。。该吃饭去了。。。如果点赞的人多我就更认真的写哈^_^4.15 感谢这么多人来点赞！下面继续扯淡（舍友看到我的答案说：我要 @老杨（他导师）来看，他肯定会说你在一本正经的胡说八道）将加速器实验看成人的话，加速器就是骨骼和肉体，探测器就是眼睛和耳朵，而控制所有庞大的探测器阵列并记录数据的电子学就是大脑了。然后，辛勤工作的物理学家，博士，博士后是啥？下面来讲探测器。探测器的设计目的有两个：记录粒子的径迹记录粒子的能量根据这两个功能，聪明的前辈们想到了各种办法来重建整个物理事件：从高能粒子入射，到产生各种粒子，到不稳定粒子衰变成为最终的末态粒子。首先，我们需要判断粒子的类型，是质子、电子、光子还是muon？然后，根据记录的径迹判断哪些粒子是从同一个粒子衰变来的，并继续反推，直到找到所有的属于同一个事件（一次高能入射粒子碰撞）的末态粒子。再之后，根据能量和动量守恒定律来判断是不是有没有被记录的粒子（这个稍后再解释为什么会有记录不到的）。给所有的末态粒子找好归属以后，在进行物理分析，计算各种物理量。可以看到，在记录时最重要的就是记录径迹。甚至需要精确到毫米甚至微米的量级。想象一下，探测器整体可是一个几十米的大怪物呢！只有精确的记录径迹，才可以准确的测量粒子动量，并分析它们是从哪里来的。要知道在没有电子学发展的时代加速器的记录使用乳胶胶片，也就是不停的照相，产生大量照片，然后从里面分拣出感兴趣的事例。让人欣慰的是，这些工作是聘请工人来做的，不是博士生来做！图1. 发现含有charm的重子的事例，这是在气泡室中观察的。注意这张图已经经过了大量的处理，背景中原本会包含大量的杂乱的线。Timeline of quantum mechanics时代变了，现在我们有了非常好的探测器。但是，不变的是探测粒子的方法。这里就要说探测器的基本原理了。目前探测器种类繁多，包括气体探测器、闪烁体探测器、半导体探测器等。这是按照工作介质来分。按照信号来分只有两种：电荷信号和光子信号！（话说知乎有个问题叫哪一瞬间你觉得人类科技还很落后，这里就是一个栗子，这么多年了，我们能够探测的信号还仅仅是这两种）带电的粒子在介质中会产生电离，电子的轫致辐射，光子会发生光电效应、康普顿散射、正负电子对产生，超过介质光速的粒子可以产生切伦科夫光，强子可以产生核反冲电离，高能电子可以产生电子喷柱，高能强子（比如质子，中子）可以产生强子喷柱。然而，所有的这些物理过程最终都会以电荷和光子的形式被探测到。电荷，就用电极接后端电子学来探测。光子就用光电倍增管PMT来探测，或者也可以用光电二极管、雪崩二极管等等，最终都会转化为电信号。但是要注意有一些粒子即不带电又非常轻，比如说中微子，就不会产生任何信号并被记录。这就是所谓的missing energy或者missing transverse momentum，这一度让物理学家认为能量守恒是错误的(1924, Borh, Kramers, Slater)！为了高效的收集电子和光子、并充分的区分不同的粒子产生的不同的物理过程（上面提到的那些），勤劳勇敢的物理学家们设计出了五花八门的各种探测器。如果要展开的话又是一门研究生课了。为了贴近题主的问题，我们就用LHC上的ATLAS和CMS做一个简单的介绍。图2.ATLAS的探测器解剖图。不同位置的探测器介绍详见文本。可以看到，整个探测器非常庞大，粒子束沿左右方向的水平对称轴入射，而探测器中各个部件围绕对称轴正中心的对撞点层层包裹，被称为洋葱圈结构。当然了，也有不是洋葱圈的，比如LHCb,如图3中所示，应用这种结构的包括打靶实验和非对称对撞（比如质子电子对撞，例如 HERA e±p Collider : 1991-2007）因为产生的次级粒子主要沿着一个方向行进，但是仍然不同探测器是层状组织起来的。从内到外，不同层有不同的功能。最内部（inner detector）是用来记录粒子出射位置的，这个位置距离碰撞点最近，能够测量重建得到的碰撞顶点最精确。而且这个位置粒子通量极大，需要用能够承受极高计数率的探测器，同时空间分辨率要求高。另外内部探测器还用来记录带电粒子的径迹，也就是说要求一个粒子被多次记录下来，然后从内到外连成一条线是粒子在空间中飞行的径迹。通常采用硅像素探测器或者硅微条探测器（半导体探测器），也会用气体探测器，比如BEPC中的多丝漂移室。记录下来空间位置可以重建轨迹，并根据磁场大小和轨迹的偏转情况算出粒子的动量。之后外层是电磁量能器（EM Calorimeters）。很明显，这是用来测量粒子能量的。一般采用闪烁体或者其他具有很大阻碍效果的工作介质，让电子和光子在其内部充分的消耗能量，产生电离和光子，并采集。然后根据收集到的信号强度（电离的电荷量、光子的计数等）来推算电子的能量。再向外是强子量能器(Hadron Calorimeters)。这里就有一个问题了，为什么要先测量电子能量再测强子呢？因为通常电子的能量耗散更快，仅需要一个很小的空间就能全部被吸收。但是强子，尤其是高能强子会产生强子喷柱，需要较大的吸收体厚度才能被完全吸收。同时，由于材料的选择和电子、强子与物质的相互作用形式不同，强子在电子量能器中仅沉淀少部分能量。当然，在事例重建的时候还是会把这部分能量也加起来的。最外侧就是超级巨大的，最占空间的mu子探测器（muon detectors），叫detector，因为完全无法保证mu子能量全部沉积，仅仅是测量击中位置重建轨迹。因为mu子与物质的相互作用非常弱，需要探测介质体积很大才有一定的概率被探测到。一般都使用气体探测器，成本低，结构负载小。然后可以看到，在入射的两端有两个塞子一样的前向量能器（forward calorimeters）。这是因为可能有大量的粒子出射沿着小角度出射，并且这包含着比较重要的物理信息。图3. ATLAS,CMS和LHCb对比相信有读者已经注意到一个问题了，一个粒子到底能被探测到几次？经过径迹探测器以后达到量能器，怎么能同时测到它的动量和能量呢？因为出射粒子能量很高，探测器中的介质对其影响非常小，就像飞机撞到苍蝇一样。比如说，一个电子在径迹探测器中留下一条电离轨迹，但是仅仅消耗了5%的能量，并且运动方向、速度没有收到很大的影响。具体的这些误差的修正都会在事例重建时被考虑到。最后，就是经过复杂的数据分析方法将得到的信号进行筛选、重建、矫正、分析，得到物理结果。就是这样，这部分实在是讲的不清楚了，><请多谅解。如果题主认为原理部分讲的还不清楚，那我就再花些时间来就具体的问题试着答一下。编辑于 2015-04-19 20:02赞同 35126 条评论分享收藏喜欢

LHC一无所获：物理学要回到出发点了吗？| 果壳科技有意思

首页科学人物种日历吃货研究所美丽也是技术活Natalie Wolchover前沿物理3342字需用时 06:41LHC一无所获：物理学要回到出发点了吗？Natalie Wolchover（劈柴/翻译）欧洲大型强子对撞机（LHC）的物理学家们以前所未有的高能探索了自然的性质，他们有了一些非常深刻的发现：没有新东西。

这或许是30年前该项目设计之初，唯一一件没人预料到的事情。

去年12月出现在数据曲线中的那个著名的“双光子峰”已经消失，说明这是一次短暂的统计涨落，而非一个革命性的新基本粒子。实际上，除了长期主导但并不完整的粒子物理“标准模型”中已有的成员，这台机器的对撞至今没有召唤出任何全新粒子。在对撞残骸中，物理学家没有找到能够组成暗物质的粒子，没有希格斯玻色子的兄弟姐妹，没有额外维度存在的迹象，没有轻子夸克——最重要的是，也没有人们苦苦寻找的超对称粒子，这种粒子能够补全公式并满足“自然性”，后者是自然定律应当遵循的一条深层原则。

“令人吃惊的是我们考虑了这些事情30年，却没有做出一项正确的预测让人能看到，”普林斯顿高等研究院物理学教授尼马·阿尔卡尼-哈米德（Nima Arkani-Hamed）说。

本月的芝加哥国际高能物理会议上，超环面仪器（ATLAS）和紧凑μ子线圈（CMS）两大实验所做的报告成为了新闻。两项实验的探测器像大教堂一般分别坐落于LHC长达27千米的轨道环的6点和12点方位。这台对撞机在升级到原有能量的两倍并终于全速运行后产生了大量数据，两个团队各自超过3000名成员在过去三个月来一直疯狂地对其进行分析。目前，LHC的光子撞击能量是13万亿电子伏（TeV）——超过单个质子质量的13000倍——提供了足够的原材料产生大量基本粒子，如果它们存在的话。

（上）消失的峰：大型强子对撞机将光子以高能撞击，碎片被CMS和ATLAS两个主要探测器捕捉。2015年12月，两台探测器都在13-TeV撞击中检测到少量多于标准模型的光子对数量，总能量为750GeV。物理学家希望这个“双光子峰”的诞生是由于生成的一种新基本粒子接下来衰变成了两个光子。

（下）2016年，从LHC收集的数据是之前的4倍多，而双光子峰却不见了。这说明去年所见的异常只是一次统计涨落。（注意，由于加速器和探测器条件的改变，在2016年基于标准模型的预测发生了微小变化。）

图片来源：Lucy Reading-Ikkanda for Quanta Magazine

目前为止，什么也没有出现。尤其让许多人伤心的是双光子峰的丢失，这是在去年那批捉弄人的13-TeV数据中突然出现的一对额外光子，理论学家们写了大约500篇论文来推测它们的来源。双光子峰在今年的数据中消失的传言在六月开始流出，引发了全领域范围的“双光子宿醉”。

“它本可以单枪匹马地为粒子实验指向一个非常让人兴奋的未来，”马里兰大学理论物理学家拉曼·桑德拉姆（Raman Sundrum）说。“它的缺失将我们拉回到出发点。”

新物理的缺失加深了自2012年就产生的危机，当时LHC第一次运行，证实了8-TeV撞击将不会产生任何超越标准模型的新物理。（那一年发现的希格斯玻色子是标准模型的最后一块拼图，而非它的扩展。）仍旧可能有一个救星粒子在今年晚些时候或明年出现，或许，当数据经过长时间的积累，会在已知粒子身上发现细微的惊喜，间接提供新物理的线索。但理论学家们已经逐渐开始准备接受“噩梦场景”了，那就是LHC根本无法把我们引向一个更加完整的自然理论。

一些理论学家提出，整个领域是时候开始思考零结果的含义了。新粒子的缺失几乎肯定意味着物理定律不像物理学家长久认为的那样自然。“自然性是如此动机充足，”桑德拉姆说，“以至于其实际上的缺失就是一项重大发现。”

物理学家确信标准模型之外还有其他理论的主要原因在于，作为关键环节的希格斯玻色子有一个看上去极其不自然的质量。在标准模型方程中，希格斯子与许多其他粒子耦合在一起。这种耦合赋予其他粒子以质量，并使他们得以反过来左右希格斯子的质量，就像拔河比赛中的双方对手。有些对手特别强大——与重力有关的假想粒子可能为希格斯子贡献（或减少）一亿亿TeV——然而它的质量最终只有0.125TeV，就好像双方对手在拔河比赛中得到近乎完美的平局。这看起来很荒诞——除非能合理解释为什么参赛两队水平如此接近。

加州理工大学的玛利亚·斯皮罗普卢，摄于LHC的CMS控制室，在否认噩梦说时说，“实验学家没有宗教。”

上世纪80年代早期，理论物理学家意识到超对称理论能够做出这种解释。该理论提出，对于每一种自然界中存在的“费米子”——一种使希格斯子增加质量的物质粒子，如电子或夸克——都存在一个超对称的“玻色子”，或载力粒子，从希格斯子身上减掉质量。这样，每个拔河参与者都有一个势均力敌的对手，希格斯子也自然地稳定了。理论学家们设计了好几种能满足自然性的替代方案，但是超对称还有更多的论据支撑自己：在这个方案下，三种量子力的强度在高能状态恰好吻合，暗示它们在宇宙之初是统一的。它还提供了一种惰性、稳定的粒子，恰好具有成为暗物质的适当质量。

“那时候我们真觉得已经搞明白了一切，” 加州理工大学粒子物理学家兼CMS成员玛丽亚· 斯皮罗普卢（Maria Spiropulu）说，“如果你问我这一辈的人，我们几乎被教育成超对称就是存在的，哪怕还没有发现。我们是真信过啊。”

因此，当已知粒子的超对称粒子未能出现时——首先是90年代的大型正负电子对撞机（Large Electron-Positron Collider），然后是90年代和2000年早期的兆电子伏特加速器（Tevatron），还有现在的LHC——人们感到非常意外。随着对撞机在更高能量搜索，已知粒子和它们的假想超对称粒子之间的差距也越来越大，因为后者必须质量更大才能躲避探测。最终，超对称理论变得“残破不堪”，粒子和其超对称粒子作用在希格斯子上的质量无法再抵消，超对称理论也无法解决自然性问题。一些专家认为，我们已经过了这个理论的“破产”点。另一些允许特定参数设置得更灵活的专家，也说破产正在发生，因为ATLAS和CMS排除了质量小于1TeV的标量顶夸克——质量为0.137TeV的顶夸克的超对称粒子。这已经在顶夸克和标量顶夸克的希格斯拔河中造成6倍的不平衡。即使大于1TeV的标量顶夸克存在，它对希格斯子的作用也过于强了，不能解决它理应解决的问题。

标准模型。图片来源：Lucy Reading-Ikkanda for Quanta Magazine

“我觉得1TeV是个心理上的极限，”CERN（LHC所属的实验室）的高级研究科学家、比利时安特卫普大学教授阿尔伯特·德洛克（Albert de Roeck）说。

有人会说已经够了，而其他人觉得还存在漏洞可以抓住。在标准模型的无数超对称扩展中，有更复杂的方案能使重于1TeV的标量顶夸克与其他超对称粒子一起去平衡顶夸克，调节希格斯子的质量。这个理论有太多变种，或者说独立的“模型”，完全判死刑几乎是不可能的。加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学家乔·英坎德拉（Joe Incandela）曾在2012年代表CMS合作方宣布希格斯玻色子的发现，他说，“如果你看到了什么，你可以不依赖模型地声明你看到了一些东西。如果什么也没看到，这就有点复杂了。”

粒子可能隐藏在各种边缘角落。比方说，如果标量顶夸克和最轻的超中微子（超对称理论中的暗物质候选者）恰巧具有几乎相同的质量，它们可能至今还隐藏着。这是因为当撞击产生一个标量顶夸克并衰变出一个超中微子时，只有很少的能量会以运动的形式释放。“当标量顶夸克衰变时，出现的一个暗物质粒子基本就坐那儿不动，”ATLAS成员、纽约大学的凯尔·克莱默（Kyle Cranmer）解释说。“你看不到它。所以在那些地方很难找。”在那种情况下，质量小至0.6TeV的标量顶夸克仍有可能隐藏在数据中。

实验学家在未来会努力排除这些漏洞，或挖掘隐藏粒子。同时，那些准备好继续出发的理论学家会努力面对没有自然界提供路标的事实。“情况很混乱也很不确定，” 阿尔卡尼-哈米德说。

许多粒子理论学家现在承认一个长期隐现的可能性：希格斯玻色子的质量就是不自然的——它的低值由一次偶然而精细的宇宙拔河中的抵消所产生——而我们之所以观测到如此奇怪的性质，是因为若非如此我们就不会存在。在这一情景中，有许多许多宇宙存在，每一个都由各种效果的不同偶然组合形成。在所有这些宇宙中，只有碰巧具有轻希格斯玻色子的那些才能允许原子形成从而孕育生命。但由于看起来无法验证，这种人择观点普遍不受欢迎。

尼玛·阿尔卡尼-哈米德正在普林斯顿高等研究院与同事讨论理论物理学。图片来源：Béatrice de Géa for Quanta Magazine

过去两年来，一些理论物理学家开始为希格斯子质量设计全新的自然解释，以期避免人择推理的宿命论，又不必依赖LHC中出现新粒子。最近，当CERN的实验学家们为了寻找新粒子而忙于啃数据之时，他们的理论学同事们举办了一个研讨会，讨论诸如“松弛轴子假说”（relaxion hypothesis）——该假说认为希格斯子的质量不是由对称形成的，而是被宇宙诞生动态地塑造——的新思路以及可能的验证方法。加州大学圣塔芭芭拉分校的纳撒尼尔·克雷格（Nathaniel Craig）在研究一种称为“中性自然性”（neutral naturalness）的理论，他在从CERN会场打来的电话中说道，“既然大家都度过了双光子宿醉，我们该回归到那些旨在解决LHC新物理缺失的问题上来。”

阿尔卡尼-哈米德和几位同事最近提出了另一项名为“N自然性”（Nnaturalness）的新理论，他说，“许多理论学家，包括我在内，都感到我们处在一个完全特殊的时期，摆在桌上的问题不是下一个粒子的细节，而是真正的大型结构性问题。我们非常有幸生活在这样一个时代——即使我们有生之年可能不会出现重大而确凿的进展。”

当理论学家回到他们的黑板上，CMS和ATLAS的6000名实验学家正在为他们向未知领域的探索而欢欣鼓舞。“什么叫噩梦？”斯皮罗普卢在提到理论学家对“噩梦场景”的恐慌时说。“我们在探索自然。也许我们没有时间考虑那样的噩梦，因为我们正在接收海量的数据，而且非常兴奋。”

新物理仍有希望出现。但是在斯皮罗普卢看来，没有发现也是一种发现——尤其当它意味着一项重要理论的死亡。“实验物理学家们没有宗教，”她说。

一些理论学家也同意。失望的说法是“疯狂的”，阿尔卡尼-哈米德说。“这就是自然！我们在学习答案！这6000个人正忙得四脚朝天，而你像个小孩一样没得到想要的棒棒糖就撅个嘴？”

题图来源：Olena Shmahalo / Quanta Magazine

（编辑：Ent）The End发布于2016-08-18，本文版权属于果壳网（guokr.com），禁止转载。如有需要，请联系果壳。举报这篇文章Natalie WolchoverNatalie Wolchover是《量子杂志》的资深撰稿人，撰写物理及相关领域的文章。科技有意思 · 果壳走着瞧关于果壳联系我们电话+86 010-85805342邮箱service@guokr.com更多联系方式关注我们©果壳网·京ICP备09043258号·京网文[2018] 6282-492号·新出发京零字第朝200003号·京公网安备11010502007133号违法和不良信息举报邮箱：jubao@guokr.com·举报电话：17310593603·网上有害信息举报专区·未成年人专项举报邮箱未成年人专项举报热线：15313123670·萃取-pensieve

世界上最强大的粒子加速器--大型强子对撞机 (LHC) 重启，它会给物理学界带来什么影响？ - 知乎

世界上最强大的粒子加速器--大型强子对撞机 (LHC) 重启，它会给物理学界带来什么影响？ - 知乎首发于科学知识切换模式写文章登录/注册世界上最强大的粒子加速器--大型强子对撞机 (LHC) 重启，它会给物理学界带来什么影响？猫山娘惹网文写手、豆瓣阅读《祝你好梦》《是谁杀了那个女人》地球上最大、最强大的粒子加速器再次运行：4 月 22 日，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机 (LHC) 结束了为期三年的转换暂停，第一个质子再次在加速器环中循环。现在可以在其中进行更多更高能量的碰撞，并且四个大型探测器得到了进一步优化。你现在可以证实偏离标准模型的迹象。此外，两个新的探测器将专门用于搜索暗物质粒子。经过三年的修改和改进后，大型强子对撞机 (LHC) 现在开始其第三个任期。它是迄今为止世界上最大的机器：自 2008 年以来，大型强子对撞机 (LHC) 的 27 公里环一直在加速质子和重原子核以记录能量并允许它们发生碰撞。希格斯玻色子于 2012年在其粒子探测器中被发现。然而，从那以后，尽管粒子加速器第二次运行时功率翻了一番，但并没有让许多物理学家失望的重大发现。但近年来，来自大型强子对撞机的数据至少提供了一些证据，表明可能存在超出已建立的粒子物理标准模型的粒子和力。这些包括在大型强子对撞机中检测到的 B 介子衰变异常，也包括美夸克衰变中的异常。然而，到目前为止，这些异常现象还不足以被正式认为是一项发现。第三期开始现在情况可能会改变：经过三年的转换中断后，大型强子对撞机现在再次启动。2022 年 4 月 22 日，质子首次在两个相反的流中通过加速器环循环。“这些粒子束仍然包含相对较少的质子，并且只能达到低能量，”LHC 光束控制负责人 Rhodri Jones 解释说。质子仅在 450 吉电子伏特下循环，这是它们被注入环的能量。2022 年 4 月 22 日：兴奋地等待大型强子对撞机控制室的第一束质子束。“但这些第一道光线标志着在长时间停机的所有艰苦工作之后加速器成功重启，”琼斯解释说。在接下来的几周和几个月内，大型强子对撞机团队将缓慢增加能量并测试所有组件和四个大型探测器 ATLAS、CMS、LHCb 和 ALICE 的功能。2022年夏天，粒子加速器的第三个数据收集期将开始，计划为期四年。更高的能量和更多的碰撞在三年的改造休息期间，CERN 对加速器本身和四个大型探测器进行了广泛的改造，这再次大大提高了组件的性能和灵敏度。例如，大型强子对撞机更换了几个超导磁体，优化了冷却系统，并对进入的环形加速器进行了升级，以便将粒子以更高的初始能量送入大型强子对撞机。这将可实现的碰撞能量增加到 13.4 太电子伏 - 一个新的记录值。更重要的是，在环中加速的质子数量和密度也大大增加。这也增加了探测器中的碰撞次数，从而增加了发现不太常见的粒子和效应的机会。用于 ATLAS 和 Co 的更好的粒子捕集器为了能够评估由碰撞引起的粒子流入量增加，大型强子对撞机的四个主要实验也接受了新的、改进的粒子传感器和分析技术。在 ATLAS 探测器中，对大小近 10 米的环形 μ 子传感器进行了更新，对于每秒约 4000 万次碰撞中释放的粒子，它们的灵敏度和分辨率有所提高。CMS 探测器还配备了新的传感器和像素跟踪器，并且该区域之前由不锈钢制成的光束管已被新的铝合金制成。正如 CERN 报告的那样，由于它们的升级，ATLAS 和 CMS 将能够在新的运行时处理和分析比之前两个运行时加起来更多的碰撞。专为美夸克衰变设计的 LHCb 探测器已几乎完全更新，现在可以评估比以前多三倍的碰撞。因此，他可以确认并证实在上一次运行时在这些衰变中已经观察到的异常情况。该组中的第四个，ALICE 探测器，也接收了许多新的粒子跟踪器，未来将能够记录比以前多 50 倍的重离子碰撞。开放式 CMS 检测器的视图，与其他三个大型实验一样，已升级和优化。两个新的暗物质探测器对于新的运行时间，LHC 还补充了两个新的实验。前向搜索实验 (FASER) 位于 ATLAS 探测器后方 480 米处，专门探测特别轻且相互作用较弱的粒子——长期寻找的暗物质粒子可能隐藏在其中。子探测器 FASERv 还可以捕获在碰撞和衰变过程中释放的中微子——它们也可以为暗物质的性质提供线索。新的散射和中微子探测器（SND@LHC）也是为中微子设计的。然而，与 FASERν 不同的是，这种新的探测器并不直接位于加速器环中，而是略微位于加速器环的一侧。这使他还能够以更大的角度检测质子碰撞产生的中微子。这也有助于最终识别暗物质粒子。发布于 2022-04-26 10:22物理学粒子加速器大型强子对撞机赞同 1添加评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录科学知识记录一些关于最新的科

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LHC大型强子对撞机详细的最新成果？ - 知乎

LHC大型强子对撞机详细的最新成果？ - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答切换模式登录/注册大型强子对撞机LHCLHC大型强子对撞机详细的最新成果？关注者3被浏览1,431关注问题写回答邀请回答好问题1 条评论分享2 个回答默认排序邓如山科学让生活更美好，科学真理照亮现实，科技助力中国现代化关注世界上最大的粒子加速器LHC已稳定运行了十年，它是迄今为止人类制造的最复杂的超大机器之一，LHC位于法国和瑞士两国的边界地带，埋藏在地下100米的深处，超长的加速器围成了周长27公里的环圈。2008年9月10日，科研人员第一次为加速器注入了来源于氢原子核的质子，他们的兴高采烈心情持续了几天时间，2008年的9月22日，加速器出现了一起故障，50多块大磁铁在实验过程中受到损毁，而加速器一共安装了6000块大磁铁，加速器的磁场将质子束缚在圆形的管道。事故修复工程进行了一年多，2010年3月，LHC重新投入运行。LHC是欧洲原子核研究中心（CERN）投资建造的一个粒子物理实验室，CERN是在第二次世界大战后设立的研究机构，成立这一机构的目的是为了在科学精神的指引下将战时分裂的欧洲重新团结在一起。作为重建被战火蹂躏的欧洲的一个重大基础科学项目，CERN投入了100亿欧元的建设费用。在科学理念的召唤下，现在的LHC已转变为一个国际性的科研机构，有来自全球6个大洲的100个国家的数千名科学家在“超级实验室”进行科学实验。人们一直对LHC的超大规模和运作方式感到好奇，它的基本工作原理是将经过加速的两束质子流以最高能量进行碰撞。在周长27公里的环型圈内设置了6个实验室，建造在地下洞穴的巨型探测器用于收集质子在相互碰撞后留下的信息。建造LHC的目的是以实验手段揭示微观宇宙的奥秘。基本粒子是组成物质的“基础材料”，它们的存在和相互作用是最基础的科学问题。LHC在过去十年取得的成绩令人瞩目，科学家使用“庞然大物”的机器发现了希格斯粒子，它是科学家长期以来寻找的一种基本粒子。希格斯粒子的发现证实了英国科学家希格斯在1964年做出的一项预言，他当时把对自然基本力解释的两种理论很好地结合起来，从中预言了希格斯粒子的存在。LHC的实验室之一是紧凑型缪子螺旋管探测器（CMS），实验室的目的就是寻找理论预言的希格斯粒子。LHC最有价值的发现是让希格斯粒子“重见光明”，2012年7月4日，科学家在CERN公布了令人惊讶的发现，全世界的科学人士欢欣鼓舞。在粒子物理的标准模型中，希格斯玻色子是最后一个被发现的粒子，它被称为粒子图谱中的最后一块“拼图”。粒子标准模型以一个图谱样式展现出来，图谱覆盖了所有已知的17种基本粒子、三种自然基本力以及它们的相互作用，但标准模型不能把引力纳入其中，得到广泛证实的标准模型是一个相当完美的理论，有6位科学家为希格斯粒子理论作出了主要的贡献，其中的两位由于希格斯玻色子的发现而获得了2013年的物理诺奖。科学家已发现了希格斯粒子，为何还要继续开展质子粉碎的实验？有很多希格斯粒子属性的问题有待解答，而很多粒子物理的基本问题似乎超出了标准模型的范围，比如：天文学家在观测星系和大尺度宇宙结构时发现，在星系和宇宙的其它结构中有比观测到的物质更多的隐形物质，他们将看不见的物质称为“暗物质”，最常见的解释是暗物质由暗物质粒子组成。LHC的物理学家希望以实验手段发现暗物质的痕迹，然后研究它们的属性。2018年9月，ATLAS和CMS实验室的科学家宣布了一项鼓舞人心的研究成果，他们第一次发现了以多种方式发生的希格斯粒子衰变，有些粒子的衰变方式是科学家熟悉的，这是常见的衰变方式；有些粒子的衰变方式是科学家不熟悉的、这是不常见的衰变方式。粒子物理标准模型成功地预测了希格希粒子所有的衰变方式，实验结果检验了标准模型的预测，目前的检测结果显示，标准模型对希格斯粒子衰变的预测是正确的，再次证明了粒子标准模型的科学性。宇宙的很多谜团有待科学家的解答，他们以问题为导向建立了多种理学模型，很多科学问题至今没有得到令人满意的答案，比如：为什么在可观测宇宙中的物质数量远超反物质数量？引力在四种基本力中为何最弱？它比其它的三种自然基本力弱了若干个数量级。LHC的国际合作科学团队将继续检验粒子物理标准模型的有效性，希望看到实验数据符合理论的预期，也可能看到不一样的结果。当实验数据与理论描述不符合时，这意味着可能存在目前不能解释的物理现象，LHC的未来目标是尽可能地发现目前不能解释的实验数据。成百上千的新奇理论预测了新物理学的出现，物理实验是对还未得到证实的理论的最好检验。CERN计划将LHC的运行时间延长，至少将LHC的探测使命延续到2035年，从现在到2035年，加速器和探测器的更新换代已被纳入计划，现在的一些科学家到那时将会退休，LHC却在“服役”。LHC的科学家在十年前焦急等待第一束质子在加速器管内“飞转”，他们现在忙于对实验大数据“宝库”的挖掘，从中寻找科学发现的路径。未来的二十年，LHC的国际科学家团队将携手合作，希望在粒子物理学领域获得更多的成果。（编译：2019-1-7）发布于 2022-04-07 15:49赞同 2添加评论分享收藏喜欢收起知乎用户你可以关注这个月SUSY 2015 会议上的实验talk. https://indico.cern.ch/event/331032/timetable/#20150824发布于 2015-08-27 15:49赞同 2添加评论分享收藏喜欢收起

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