对撞机概念设计

由两台大型超导直线加速器组成，总长约31公里 新华社日内瓦6月12日电 （记者王昭 吴陈）欧洲核子研究中心12日在日内瓦发布公报称，下一代高能对撞机——国际直线对撞机的最新设计报告问世，这种新一代粒子对撞机一经建成，将与该研究中心现有的大型强子对撞机一起解开很多未解的宇宙科学之谜。 国际直线对撞机项目由全球设计工作组组织实施。该工作组由来自全球20余个国家100余所大学和实验室的1000位科学家组成。 公报说，拟议中的国际直线对撞机是一台超高能量的粒子对撞机，由两台大型超导直线加速器组成，总长约31公里。对撞机加速器的超导腔可以在接近绝对零度条件下使粒子束流获得巨大能量，并在对撞机的探测器中相撞。对撞机内的电子和正电子束流每秒碰撞次数可达7000次，使对撞总能量达到5000亿电子伏特。对撞产生一系列新粒子，可以回答自然界一些最基本的问题，如物质的起源、暗物质、暗能量等。科学家相信，国际直线对撞机将与大型强子对撞机一起，解开很多未解的宇宙科学之谜。 公报称，目前的主要进展包括加速器内超导射频测试装置已建成并成功试运行，加速腔的工序也已大幅改进。此外，为国际直线对撞机生产其所需的16000个超导腔以及探测器的细节等也被列入设计报告。 欧洲核子研究中心认为，这份设计报告凝聚了有关国际直线对撞机的最新、最先进以及最为详尽的设计，也标志着多年来全球各国对国际直线对撞机的协作研发取得成果。在充分考虑国际直线对撞机的性能、风险与成本的情况下，与此相关的技术设计与项目实施计划是现实可行的。 国际直线对撞机研究部门负责人山田作卫表示，2012年欧洲核子研究中心宣布，该中心的大型强子对撞机发现了一种“看起来越来越像”希格斯玻色子的新粒子，这一发现使得国际直线对撞机肩负更为重要的任务，即对大型强子对撞机起到补充作用，对这种粒子的特性进行更为细致的研究分析。 国际直线对撞机的选址尚未确定，候选地点分别是日内瓦附近的欧洲核子研究中心、美国费米国家加速器实验室和日本某地。

2013年01月04日 来源： 腾讯科学 http://www.stdaily.com/stdaily/pic/attachement/jpg/site2/20130104/00241d8fef0e1250634023.jpg 大型强子对撞机将进行全面检修，以准备在2015年对暗物质、额外纬度和其它宇宙进行探索。 腾讯科学讯（过客/编译） 当谈到关闭有史以来最强大的核粒子加速器时，并不仅仅是按下关闭按钮的问题。欧洲粒子物理研究所的工作人员正一步步的停下大型强子对撞机。下个月当最新一次试验结束之后，位于大型强子对撞机隧道内的巨大超导磁体必须进行升温，缓慢的从零下271摄氏度回升到室温。只有到那时，工程师们才能进入隧道开始他们的工作。 这台设备去年帮助科学家们捕捉到难以捉摸的希格斯玻色子，现在需要关闭两年时间让工程师进行检修，以此来让对撞机在2015年达到它的最大能量。2008年9月大型强子对撞机首次启动几天后就发生了故障，从那以后，对撞机就被迫以一半的设计能量运行以避免再一次发生灾难。粒子加速器通过内部原子以接近光速的速度碰撞来揭示新的物理现象，这一切都是在一个8英里长的环形地下隧道里进行的。但是大型强子对撞机并不单是一台寻找希格斯玻色子的机器，它或许会揭开宇宙的其它秘密。比如说什么是隐藏在星系周围的暗物质，为什么我们是由物质组成而不是反物质。一位物理学家皮帕-威尔斯说道：“我们只进行了小部分的对撞机项目，仍然有很长一段路要走。新闻头条报道的发现只是开始，我们需要进行更多的精准测量来完善微粒的质量问题，并且更好的理解希格斯玻色子是如何产生的，以及它衰变成为其它粒子的方式。” 就其本身而言，即使大型强子对撞机恢复更高能量，暗物质是难以发现的。“暗”这个词语指的就是这种物质既不会发出光线也不会反射光线，目前为止暗物质呈现的唯一方式就是把它运用在星系上。在地球上搜寻暗物质未能揭开它的组成，但是大型强子对撞机或许能够实现这一目标。一个称作超对称性的理论提出，组成宇宙的微粒数量是我们现在所了解的两倍。威尔斯认为增强大型强子对撞机的能量应该能提高科学家创造暗物质的机会，“相比现在来说那将是一个巨大的进步，我们将把对宇宙4%的了解提高到大约25%。”大型强子对撞机可以帮助我们揭开的另外一个神秘是为什么我们是由物质组成而不是反物质。大爆炸应当将等量的物质和反物质送入到早期宇宙中，但是现在我们看到的几乎全部是由物质组成的。大型强子对撞机内部的撞击产生了大量被称作底夸克的微粒和它们的反物质相对物，两者都是大爆炸的共同结果。通过研究它们的行为，科学家们希望了解为什么自然似乎更喜欢物质而不是反物质。 工作于大型强子对撞机夸克探测装置的物理学家塔拉-希尔斯说道：“与超对称性或者希格斯玻色子不同，反物质没有理论让我们进行测试。我们不清楚为什么反物质表现的与普通物质有一点差异，但是或许那种差异能够使用更深层次的粒子物理学理论进行解答，但是我们尚未发现这一理论所包含的新物理现象。”增强大型强子对撞机的能量或许只是让科学家找到为什么重力如此微弱的原因。一个解释就是我们只承受了一小部分力，其余的以微观方式作用于额外的空间维度。剑桥大学高能物理学教授安迪-帕克说道：“我们所看到的重力场只是我们三维空间中的一部分，但事实上有许多重力场存在于第四、第五维度，或者你能幻想的任何纬度。” 量子力学定义粒子表现的像波，而且当大型强子对撞机提升到更高的能量时，碰撞微粒的波长就会变得更短。当微粒的波长小到能够与额外纬度相匹配时，这些微粒就会突然感觉到更加强烈的引力。帕克说道：“你所期待的是当你获得足够的能量时，你能够突然发现额外纬度，而且引力变得更加强大而不是微弱无力。突然增加的额外引力将导致机器内部的微粒更加分散，这就会给科学家一个明显的信号，额外纬度是真实存在的。”

http://i0.sinaimg.cn/IT/d/2011-02-14/U4007P2T1D5175036F13DT20110214170013.jpg 英国伯明翰大学的物理学家埃文斯在近距离观看ALICE探测器中“小爆炸”的发生情景 http://i1.sinaimg.cn/IT/d/2011-02-14/U4007P2T1D5175036F9DT20110214170013.jpg 在LHC铅离子对撞实验中，出现了新的物质状态，即夸克-胶子等离子体 　　大型强子对撞机(LHC)的第一年运行非常平稳，虽然因为时间和亮度的关系，还没有发现希格斯粒子与新物理，但很好地验证了标准模型以及实现了“小爆炸”，这对研究早期宇宙很有帮助。　　大型强子对撞机，英文简写为LHC，是最吸引人眼球的科学装置和实验。该装置位于日内瓦附近的瑞士和法国交界处，主要部分安置在一个周长为27公里的隧道中，该隧道最深达175米。　　这个隧道并不很新，建造于1983年到1988年之间，曾经安置过大型正负电子对撞机(LEP)。这台同步加速器为了给LHC让路在2000年就关闭了，但成果斐然。在运行的11年间，精确确定了粒子标准模型中迄今发现的重量排名第二和第三的两个粒子的质量，即所谓中间玻色子的质量，同时也精确确定了标准模型中的很多其他参数。可惜，这台加速器并没有发现标准模型的最后一个粒子，希格斯粒子。　　大型强子对撞机的主要目的是完成大型正负电子对撞机的未竟事业，找到希格斯粒子。当然很多物理学家还期待大型强子对撞机带给我们更多的惊喜，即超出标准模型之外的新粒子和新物理。　　加速器　　在谈LHC运行一年多中的各种发现之前，我们先简单说说加速器是什么，我们为什么要建造这些庞然大物。　　我们知道，我们用肉眼看东西有尺寸上的限制，原因是我们只能看到可见光，而可见光的波长最短是0.39微米即390纳米。光学以及量子力学告诉我们，为了要看到更小的东西，我们需要更短的波长。例如，X光的波长最短达0.01纳米。短波的X射线由于波长极短，可以穿透固体，可以探测固体内部以及可以为固体结构成像。同理，更短波长的伽玛射线可以探测更小的尺度。　　物理学家为了探测亚原子结构，还需要其他高能粒子，如正负电子和质子以及反质子。粒子的能量越高，波长也越短(物质波的波长)，这样就可以探测到更小的尺度。最早的粒子加速器是Cockcroft-Walton倍压器，利用电压来加速电子。现在的粒子加速器五花八门，从直线加速器到回旋加速器。　　大型强子对撞机是同步加速器，最高单个粒子能量设计是7T电子伏。这里T是10的12次方，即一万亿。我们也可以用速度来想象质子达到的能量，我们知道，相对论告诉我们任何物体最高的速度是光速，一个能量为7T电子伏的质子的速度与光速只差了不到一亿分之一。　　质子在加速器的四个交叉点碰撞，科学家在这些交叉设置了六个探测器，这些探测器是用来记录和测量粒子碰撞后的结果的。物理发现将在这些探测器上做出。其中比较显著的是四个探测器，名称分别为ATLAS(虽然是一些英文词的缩写，却与希腊神话中的大力神巨人同名，他用双肩将天扛起)，CMS，ALICE，LHCb。　　期待什么　　LHC的主要目标是发现希格斯粒子，这是标准模型中最后一个还没有被发现的粒子，却是最重要的一个。这是因为，标准模型中的所有粒子开始时都没有质量，希格斯粒子就像上帝的使者，它的存在改变真空，而其他粒子通过与希格斯的关联获得质量。所以，为了最后验证标准模型，希格斯粒子是否存在至关重要。　　另外，希格斯粒子也是最有可能与我们还没有发现的新物理规律相关联的。例如，也许存在超对称，超对称的存在预言至少有两个希格斯粒子。很多理论家还期待LHC将发现三维空间之外的额外维、超弦理论的迹象以及暗物质的迹象。四个探测器的主要科学目的不同。ATLAS用来寻找新物理规律以及希格斯粒子和粒子的质量起源；CMS也是用来寻找希格斯粒子的，同时寻找暗物质的迹象；ALICE主要的科学标目是研究夸克-胶子等离子体(后面我们要侧重谈到)；LHCb的主要目标是研究为什么我们宇宙中存在物质与反物质的不对称。　　期待LHC将给我们带来意想不到的收获，而不是像理论家们期待的那样看到超对称甚至超弦理论的迹象。我对LHC是否会发现额外维以及小黑洞持有极大的怀疑态度。我觉得额外维和小黑洞的宣传主要是欧洲核子中心的公关策略。据说，LHC的科学宣传策划已经被写进媒体教科书。　　有些理论家，成天制造不同的理论，希望制定出一份周详的菜单，不论LHC发现什么，都在他的菜单上。这些菜单的制造，基本建立在一个或两个假想的问题上，而不是实验的启示。我觉得爱因斯坦的话值得铭记：“上帝是微妙的，但他不怀恶意。”什么意思呢？就是上帝大概不会被你无缘无故地猜中，但最终他还是愿意告诉你他自己的计划。　　第一年　　从2008年到今天，全球关心所谓宇宙秘密的人，总是被LHC的新闻所吸引。2008年9月10日，LHC第一次启动，经过一段时间的运转，9月 19日因为冷却系统的故障 53个磁铁损坏了，LHC被迫关闭。修复是一个漫长的过程，因为还涉及到整个系统的检查、清理和调试。经过一年多的辛苦工作，终于在2009年11月21 日重新启动。11月24日，LHC的四个探测器都检测到相反运动的两个粒子束的碰撞，这些粒子束含的是质子，每个质子的能量达到450京电子伏(1 京=10亿)。这个能量当然还远远低于设计的七千京电子伏。到了11月30日，一个纪录产生了，被加速后的每个质子的能量达到1180京电子伏，超过了过去的纪录 980京电子伏(美国国立费米实验室的纪录)。　　按照最乐观的期望，LHC运行的第一年，也就是2010年，不要指望LHC能带给我们任何激动人心的消息。现在，2010年过去了，虽然LHC一直平稳而有效地工作着，的确没有给我们带来新物理发现。但有一些正常与有些出乎意料的发现还是值得书写的。　　首先，LHC还没有达到预计的最大能量。现在每个质子的最高能量是3.5T电子伏，是设计能量的一半，这个能量是2010年3月份达到的，在接下来的时间中，加速器主要是增加质子束的亮度——即每束粒子含有的粒子个数，个数越多，碰撞的机会才越大，才越有可能看到新物理。ATLAS的科学家们很快就看到了标准模型中的中间玻色子，但并没有看到任何不同寻常的新物理现象。　　重要新闻　　到了去年9月份，第一个重要新闻发布了。在经过大约半年的粒子碰撞后，CMS探测器收集到足够的数据看到了一些非常有趣的现象。他们似乎看到了夸克 -胶子等离子体。这是位于美国的布鲁克海文实验室叫做RHIC加速器在比较低的能量上已经看到的。由于LHC的能量更高，如果夸克-胶子等离子体在高能量段还具备完美的液体性质，在实验和理论上都是令人兴奋的进展。　　那么，什么是夸克-胶子等离子体？科学家们为什么因为看到这种等离子体而兴奋？他们甚至说，他们实现了可与宇宙大爆炸相比的“小爆炸”，这种小爆炸又是什么意思？　　我们知道，通常我们看到的物质的主要成分是原子核，原子核由质子和中子构成。再下一层结构是夸克，质子和中子都是由夸克构成的，每个质子或中子含有三个夸克。当然，三个夸克的说法是在寻常的能量上。如果我们试图看到更多的细节，我们会看到胶子，这些胶子是将夸克强力地约束在一起的粒子，起了类似“不干胶”的作用，当然其力度比起不干胶可要强多了。　　色浆·小爆炸　　其实，当我们用能量轰击质子或原子核时，由于能量多的原因，在通常的夸克和胶子外，我们还会看到夸克和反夸克成对地产生。如果原子核的能量足够大，在轰击的过程中，将会有很多夸克和胶子出现。　　这个时候，仅仅看单个粒子就不合适了，我们需要用气体或液体的概念来描述这些存在极为短暂的新物态。由于新物态是夸克与胶子构成的，所以叫夸克-胶子等离子体。夸克和胶子之间的相互作用是由色荷决定的(就像电子与电子之间的相互作用由电荷决定的类似)，我过去曾开玩笑地建议将新物态命名为色浆——因为在台湾，普通等离子体叫做电浆。　　夸克-胶子之间的相互作用非常强，即使在极高能，也不能忽略它们之间的力。但理论家们分为