王小晨

大型強(qiáng)子對撞器(LHC)是一座位于瑞士日內(nèi)瓦近郊?xì)W洲核子研究組織的粒子加速器與對撞機(jī)，作為國際高能物理學(xué)研究之用。LHC是一個(gè)國際合作的計(jì)劃，由34個(gè)國家超過兩千位物理學(xué)家所屬的大學(xué)與實(shí)驗(yàn)室，所共同出資合作興建的。

LHC包含了一個(gè)圓周為27公里的圓形隧道，因當(dāng)?shù)氐匦蔚木壒饰挥诘叵?0至150米之間。

加速器通道中，主要是放置兩個(gè)質(zhì)子束管。加速管由超導(dǎo)磁鐵所包覆，以液態(tài)氦來冷卻。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。

兩個(gè)對撞加速管中的質(zhì)子，各具有的能量為 7 TeV（兆兆電子伏特），總撞擊能量達(dá) 14 TeV。每個(gè)質(zhì)子環(huán)繞整個(gè)儲存環(huán)的時(shí)間為 89 微秒。因?yàn)橥郊铀倨鞯奶匦?，加速管中的粒子是以粒子團(tuán)的形式，而非連續(xù)的粒子流。整個(gè)儲存環(huán)將會(huì)有2800個(gè)粒子團(tuán)，最短碰撞周期為 25 納秒。在加速器開始運(yùn)作的初期，將會(huì)以軌道中放入較少的粒子團(tuán)的方式運(yùn)作，碰撞周期為 75 納秒，再逐步提升到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在粒子入射到主加速環(huán)之前，會(huì)先經(jīng)過一系列加速設(shè)施，逐級提升能量。其中，由兩個(gè)直線加速器所構(gòu)成的質(zhì)子同步加速器 (PS)將產(chǎn)生50 MeV的能量，接著質(zhì)子同步推進(jìn)器 (PSB)會(huì)使粒子的能量提升到1.4 GeV，而質(zhì)子同步加速環(huán)可以使粒子的能量達(dá)到26 GeV的能量。最后超級質(zhì)子同步加速器 (SPS)可提升粒子的能量到450 GeV。

在這個(gè)加速器里面，兩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不同光束管，向相反方向傳播，這兩根管子都處于超高真空狀態(tài)。一個(gè)利用超導(dǎo)電磁石獲得的強(qiáng)磁場促使它們圍繞那個(gè)加速環(huán)運(yùn)行。這些超導(dǎo)電磁石是利用特殊電纜線制成的，它們在超導(dǎo)狀態(tài)下進(jìn)行操作，有效傳導(dǎo)電流，沒有電阻消耗或能量損失。要達(dá)到這種結(jié)果，大約需要將磁體冷卻到零下271攝氏度，這個(gè)溫度比外太空的溫度還低。由于這個(gè)原因，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，這個(gè)液態(tài)氦分流系統(tǒng)是用來冷卻磁體的。

強(qiáng)子對撞機(jī)的主要任務(wù)就是尋找到物質(zhì)的質(zhì)量的形成原理，加深人類對宇宙的了解。我們今天常用的互聯(lián)網(wǎng)最初就是歐洲核子研究中心的科學(xué)家為了解決數(shù)據(jù)傳輸問題而發(fā)明的。強(qiáng)子對撞機(jī)研究還將帶來一些意想不到的科研成果，譬如改進(jìn)癌癥治療、摧毀核廢料的方法以及幫助科學(xué)家研究氣候變化等。