建造過程和探索微(wei)觀粒子的(de)目的(de)
大(da)型強子(zi)對撞(zhuang)器，英文名(ming)稱為(wei)LHC（Large Hadron Collider）是一座位于瑞(rui)士日(ri)內瓦近郊歐洲核子(zi)研究組織(zhi)CERN的粒子(zi)加(jia)速器與(yu)對撞(zhuang)機(ji)，作為(wei)國(guo)際高能物(wu)理學(xue)研究之(zhi)用。地(di)理坐標為(wei)北緯46°14′00″，東經6°03′00″46.23;6.05， LHC已經建造完成。
大型強子對撞(zhuang)機將是世界上最大、能量(liang)最高的(de)(de)粒子加(jia)速器(qi)，來自(zi)大約(yue)80個國家(jia)的(de)(de)7000名科學家(jia)和工程師。由40個國家(jia)建(jian)造。是一種(zhong)將質子加(jia)速對撞(zhuang)的(de)(de)高能物理設(she)備(bei)。它是一個圓形加(jia)速器(qi)，深埋于地下100米，它的(de)(de)環狀隧(sui)道有 27 公(gong)里長(chang)，坐落于在瑞(rui)士(shi)日內瓦的(de)(de)歐洲核子研究中(zhong)心(xin)（又(you)名歐洲粒子物理實驗室(shi)），橫(heng)跨法國和瑞(rui)士(shi)的(de)(de)邊(bian)境(jing)。
為(wei)了節省(sheng)成本(ben)，物(wu)理學家們沒有(you)開(kai)鑿(zao)一條(tiao)昂貴(gui)的(de)(de)(de)(de)新(xin)隧(sui)道來(lai)容納新(xin)的(de)(de)(de)(de)對(dui)撞機，而是(shi)決定拆掉原來(lai)安置(zhi)在(zai)(zai)(zai)歐(ou)洲(zhou)原子(zi)(zi)核研究中(zhong)心的(de)(de)(de)(de)正(zheng)負電(dian)子(zi)(zi)加(jia)速器，代之(zhi)以建(jian)造(zao)大型(xing)強子(zi)(zi)對(dui)撞機所需(xu)要的(de)(de)(de)(de)5萬(wan)噸設(she)備。當(dang)兩個(ge)質(zhi)子(zi)(zi)束(shu)(shu)在(zai)(zai)(zai)環形隧(sui)道中(zhong)沿(yan)著反方向運(yun)動(dong)的(de)(de)(de)(de)時(shi)候，強大的(de)(de)(de)(de)電(dian)場(chang)(chang)使它(ta)(ta)們的(de)(de)(de)(de)能量(liang)急劇增(zeng)加(jia)。這些粒子(zi)(zi)每運(yun)行(xing)一圈，就會獲得更多的(de)(de)(de)(de)能量(liang)。要保(bao)持如此(ci)高(gao)能量(liang)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)子(zi)(zi)束(shu)(shu)繼(ji)續運(yun)行(xing)需(xu)要非(fei)常強大的(de)(de)(de)(de)磁場(chang)(chang)。這么強的(de)(de)(de)(de)磁場(chang)(chang)是(shi)由冷卻到接近絕對(dui)零度的(de)(de)(de)(de)超導電(dian)磁體(ti)產生的(de)(de)(de)(de)。物(wu)理學家們最希望(wang)建(jian)造(zao)的(de)(de)(de)(de)是(shi)一個(ge)30公里長的(de)(de)(de)(de)機器，它(ta)(ta)能以至少(shao)5千億電(dian)子(zi)(zi)伏的(de)(de)(de)(de)能量(liang)將(jiang)電(dian)子(zi)(zi)和正(zheng)電(dian)子(zi)(zi)一起粉(fen)碎。 目前；對(dui)撞機已經發(fa)(fa)現了‘希格斯粒子(zi)(zi)希格斯玻色子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)存在(zai)(zai)(zai)，升級后(hou)發(fa)(fa)現‘夸(kua)克奇(qi)異(yi)重(zhong)子(zi)(zi)’五種夸(kua)克的(de)(de)(de)(de)‘味變’集合體(ti)存在(zai)(zai)(zai)，改造(zao)升級能量(liang)的(de)(de)(de)(de)加(jia)大還會‘探索(suo)發(fa)(fa)現’超對(dui)稱(cheng)粒子(zi)(zi)和希格斯耦合粒子(zi)(zi)與粒子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)額外維相存在(zai)(zai)(zai)。
LHC是一個(ge)國際合作的(de)計劃，由34個(ge)國家超(chao)過兩千位物理學家所屬的(de)大學與實(shi)驗室所共(gong)同出資合作興(xing)建的(de)。
LHC包(bao)含(han)了一個圓(yuan)周為27公里的(de)圓(yuan)形隧(sui)(sui)(sui)道，因當(dang)地(di)地(di)形的(de)緣故(gu)位(wei)于地(di)下50至(zhi)150米(mi)之間。這是(shi)先前大型電(dian)子(zi)正子(zi)加速器(qi)（LEP）所使用(yong)隧(sui)(sui)(sui)道的(de)再利用(yong)，隧(sui)(sui)(sui)道本身(shen)直徑(jing)三米(mi)，位(wei)于同一平面(mian)上，并(bing)貫(guan)穿瑞士與法(fa)(fa)國(guo)邊(bian)境(jing)，主要(yao)的(de)部分大半位(wei)于法(fa)(fa)國(guo)。雖然隧(sui)(sui)(sui)道本身(shen)位(wei)于地(di)底下，尚有(you)許多地(di)面(mian)設(she)(she)施(shi)如冷(leng)卻壓(ya)縮機(ji)，通風(feng)設(she)(she)備(bei)，控制電(dian)機(ji)設(she)(she)備(bei)，還有(you)冷(leng)凍槽(cao)等等建(jian)構于其上。
加(jia)速(su)器通道中，主要是(shi)放(fang)置兩個質子(zi)束管(guan)。加(jia)速(su)管(guan)由超導磁鐵所包覆，以液態氦來冷卻。管(guan)中的質子(zi)是(shi)以相(xiang)反的方(fang)向，環繞著(zhu)整個環型加(jia)速(su)器運行。除(chu)此之外，在四個實驗碰撞點附(fu)近，另有安裝其他的偏向磁鐵及(ji)聚焦磁鐵。
LHC加速環的(de)四個碰撞點，分別設有五(wu)個偵(zhen)測器(qi)(qi)在碰撞點的(de)地穴中。其中超(chao)環面儀器(qi)(qi) （ATLAS）與緊湊渺子(zi)線(xian)圈（CMS）是通用(yong)型(xing)的(de)粒子(zi)偵(zhen)測器(qi)(qi)。其他(ta)三個（LHC底夸克偵(zhen)測器(qi)(qi)（LHCb），大型(xing)離子(zi)對撞器(qi)(qi)（ALICE）以及全截(jie)面彈(dan)性散射(she)偵(zhen)測器(qi)(qi)（TOTEM）則(ze)是較小型(xing)的(de)特殊目標偵(zhen)測器(qi)(qi)。
1994年，大(da)(da)型強子對(dui)撞(zhuang)機項(xiang)目立項(xiang)后，林恩·埃文(wen)斯(si)理所當然地(di)就成(cheng)為(wei)了這個耗資(zi)百億(yi)美元(yuan)的(de)(de)項(xiang)目的(de)(de)負責人。對(dui)撞(zhuang)機從設計到(dao)建(jian)(jian)造(zao)，都(dou)由他全權負責。14年后，在瑞士和法國(guo)交(jiao)界(jie)地(di)區地(di)下100米深處的(de)(de)周長為(wei)27公(gong)里(li)的(de)(de)環形隧道(dao)里(li)，埃文(wen)斯(si)和全球80多個國(guo)家(jia)近萬名(ming)科學家(jia)的(de)(de)心血結(jie)晶——大(da)(da)型強子對(dui)撞(zhuang)機正式建(jian)(jian)成(cheng)。
在2005年10月25日，因為(wei)起重機載貨的(de)意外掉(diao)落，造(zao)成(cheng)一位技術人員的(de)喪生。
2007年3月27日，由費米實驗(yan)室所負責建造，一(yi)個用于 LHC 內部的(de)三極低溫超(chao)導磁(ci)鐵（屬(shu)于聚(ju)焦用四極磁(ci)鐵），因為支撐架的(de)設計不(bu)良(liang)，在壓力測試時發生破損。雖(sui)然沒(mei)有造成人員的(de)傷亡，但是卻嚴重影響(xiang)了 LHC 開(kai)始運作的(de)時程。
2008年(nian)6月15日，在埃文(wen)斯的退休儀式(shi)上，這6位主任紛紛親自出面或通(tong)過視頻向(xiang)他致以敬(jing)意。他們還聯合簽署了一份文(wen)件，將大(da)型(xing)強子(zi)對撞機以林恩(en)·埃文(wen)斯的名(ming)字命名(ming)，并制作了一個對撞機偶極(ji)子(zi)的小模型(xing)贈送給埃文(wen)斯。
2008年9月(yue)10日，對撞機初次(ci)啟動進行測(ce)試。埃文(wen)斯將手(shou)指放在(zai)鼠標(biao)上，親自(zi)點(dian)擊啟動了首次(ci)測(ce)試。這(zhe)次(ci)測(ce)試是研究人員將一(yi)個質子(zi)束(shu)(shu)以順時(shi)針方向注入到加(jia)速(su)器(qi)中，讓其加(jia)速(su)到99.9998%光速(su)的(de)超快速(su)度(du)，從而使此質子(zi)束(shu)(shu)在(zai)全長27公里的(de)環形隧道中以每(mei)秒11245圈的(de)速(su)度(du)狂(kuang)飆。這(zhe)一(yi)幕通過網絡視(shi)頻向世(shi)界(jie)進行了直(zhi)播，還有300多(duo)名記者來到此實驗室目睹(du)測(ce)試過程。
2008年9月19日，LHC，第三與第四(si)段之間(jian)，用來(lai)冷(leng)卻超(chao)導(dao)磁鐵(tie)的(de)(de)液態氦(hai)，發(fa)生(sheng)了嚴重的(de)(de)泄漏。據推(tui)測是由于(yu)聯(lian)接兩(liang)個超(chao)導(dao)磁鐵(tie)的(de)(de)接點接觸不良，在超(chao)導(dao)高電流的(de)(de)情況下融毀所造成的(de)(de)。依據CERN的(de)(de)安(an)全條例(li)，必(bi)需(xu)將(jiang)(jiang)磁鐵(tie)升回到(dao)室(shi)溫后詳細檢查才能繼續(xu)運(yun)轉，這將(jiang)(jiang)需(xu)要(yao)三到(dao)四(si)周的(de)(de)時間(jian)。要(yao)再冷(leng)卻回運(yun)作溫度，也是得(de)經過三四(si)周的(de)(de)時間(jian)，如此正好遇上預定的(de)(de)年度檢修時程，因此要(yao)開始運(yun)作將(jiang)(jiang)可(ke)能延遲(chi)至(zhi)2009年春(chun)天。
2008年(nian)10月(yue)16日，CERN發布了關于液(ye)態(tai)氦泄(xie)漏事件(jian)的調查分析，證實了先(xian)前推測的為(wei)兩(liang)超導磁(ci)鐵間接點不良所造成的。由(you)于安全條例確實地(di)實行、安全設計皆有(you)正常工作、并且替換用的零件(jian)都有(you)庫存，預期(qi)2009年(nian)6月(yue)重啟(qi)。
2008年9月10日下午15：30正式開始運作，成為(wei)世界上最大的粒(li)子加速(su)器設施。
2008年9月19日，LHC第三與第四段之(zhi)間，用來冷卻超導磁鐵的液態氦，發(fa)生(sheng)了嚴重的泄漏，導致(zhi)對撞機暫停運轉。
自大約(yue)80個國家的7000名科學家和工程(cheng)師參(can)與了該項目。
60余名中(zhong)國(guo)(guo)科學(xue)(xue)家（其中(zhong)近四十(shi)人(ren)為(wei)臺灣科學(xue)(xue)家）參與(yu)(yu)(yu)(yu)強子對(dui)撞機實驗(yan)。四個主要實驗(yan)均有中(zhong)國(guo)(guo)科研單位(wei)和高校參與(yu)(yu)(yu)(yu)，分別(bie)為(wei)：中(zhong)科院高能物(wu)理(li)研究所(suo)、中(zhong)國(guo)(guo)科技大(da)學(xue)(xue)、山東大(da)學(xue)(xue)、南京(jing)大(da)學(xue)(xue)參與(yu)(yu)(yu)(yu)ATLAS實驗(yan)；中(zhong)科院高能物(wu)理(li)研究所(suo)、北(bei)京(jing)大(da)學(xue)(xue)參與(yu)(yu)(yu)(yu)CMS實驗(yan)；華(hua)(hua)中(zhong)師范大(da)學(xue)(xue)參與(yu)(yu)(yu)(yu)ALICE實驗(yan)；清華(hua)(hua)大(da)學(xue)(xue)參與(yu)(yu)(yu)(yu)LHCb實驗(yan)。
大型強子(zi)對撞(zhuang)機（LHC）是(shi)歐洲粒子(zi)物理研(yan)究(jiu)所(CERN）的(de)加(jia)速器復(fu)合體的(de)最新(xin)補充。
在這個(ge)(ge)(ge)加(jia)速(su)(su)(su)器里面，2束高能粒(li)子(zi)流(liu)(liu)在彼此相撞之(zhi)前，以接近光(guang)速(su)(su)(su)的(de)(de)速(su)(su)(su)度向前傳(chuan)播(bo)。這兩束粒(li)子(zi)流(liu)(liu)分(fen)別(bie)通過不同光(guang)束管，向相反方向傳(chuan)播(bo)，這兩根管子(zi)都(dou)處于超高真空狀態(tai)(tai)。一(yi)個(ge)(ge)(ge)強磁(ci)場促使它(ta)們圍繞那(nei)個(ge)(ge)(ge)加(jia)速(su)(su)(su)環運行(xing)，這個(ge)(ge)(ge)強磁(ci)場是(shi)利用超導電磁(ci)石獲得的(de)(de)。這些超導電磁(ci)石是(shi)利用特(te)殊電纜線制成的(de)(de)，它(ta)們在超導狀態(tai)(tai)下(xia)進行(xing)操作，有(you)效傳(chuan)導電流(liu)(liu)，沒有(you)電阻消耗或能量損(sun)失。要達(da)到這種結果，大(da)約需要將磁(ci)體冷(leng)卻到零下(xia)271℃，這個(ge)(ge)(ge)溫度比(bi)外(wai)太空的(de)(de)溫度還低。由于這個(ge)(ge)(ge)原(yuan)因，大(da)部(bu)分(fen)加(jia)速(su)(su)(su)器都(dou)與一(yi)個(ge)(ge)(ge)液(ye)態(tai)(tai)氦分(fen)流(liu)(liu)系統和(he)其他設(she)備相連，這個(ge)(ge)(ge)液(ye)態(tai)(tai)氦分(fen)流(liu)(liu)系統是(shi)用來冷(leng)卻磁(ci)體的(de)(de)。
大(da)型強子對撞機(ji)利(li)用數千個種(zhong)類不同(tong)(tong)，型號(hao)各(ge)異的(de)(de)磁(ci)(ci)體(ti)，給該(gai)加速器周圍的(de)(de)粒(li)(li)子束指引方向。這些磁(ci)(ci)體(ti)中包括15米長的(de)(de)1232雙極(ji)磁(ci)(ci)體(ti)和392四極(ji)磁(ci)(ci)體(ti)，1232雙極(ji)磁(ci)(ci)體(ti)被(bei)用來彎曲(qu)粒(li)(li)子束，392四極(ji)磁(ci)(ci)體(ti)每個都有5到7米長，它(ta)(ta)們(men)被(bei)用來集(ji)中粒(li)(li)子流。在(zai)碰撞之前，大(da)型強子對撞機(ji)利(li)用另(ling)一種(zhong)類型的(de)(de)磁(ci)(ci)體(ti)“擠(ji)壓(ya)”粒(li)(li)子，讓(rang)它(ta)(ta)們(men)彼此靠的(de)(de)更(geng)近，以(yi)增加它(ta)(ta)們(men)成功相撞的(de)(de)機(ji)會。這些粒(li)(li)子非常小(xiao)，讓(rang)它(ta)(ta)們(men)相撞，就(jiu)如(ru)同(tong)(tong)讓(rang)從(cong)相距10公里的(de)(de)兩(liang)地(di)發射出來的(de)(de)兩(liang)根針相撞一樣。
這個加速器(qi)(qi)、它的(de)儀器(qi)(qi)和(he)技術方面的(de)基礎(chu)設施的(de)操作(zuo)器(qi)(qi)，都安裝在歐洲粒(li)子物理研究所控制中(zhong)心的(de)同一座建筑內。在這里，大型強(qiang)子對(dui)撞機內的(de)粒(li)子流將(jiang)在加速器(qi)(qi)環周圍(wei)的(de)4個區域(yu)相撞，這4個區域(yu)與粒(li)子探測器(qi)(qi)的(de)位置相對(dui)應。
兩個對撞(zhuang)加速(su)管(guan)中的(de)(de)(de)(de)質子(zi)，各具(ju)有的(de)(de)(de)(de)能量(liang)為(wei)(wei) 7 TeV （兆兆電子(zi)伏(fu)特(te)），總撞(zhuang)擊能量(liang)達 14 TeV之譜。每(mei)個質子(zi)環繞(rao)整(zheng)個儲存(cun)(cun)環的(de)(de)(de)(de)時(shi)間(jian)為(wei)(wei) 89 微秒（microsecond）。因為(wei)(wei)同(tong)步加速(su)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)特(te)性，加速(su)管(guan)中的(de)(de)(de)(de)粒(li)(li)子(zi)是以粒(li)(li)子(zi)團（bunch）的(de)(de)(de)(de)形式，而(er)非連續的(de)(de)(de)(de)粒(li)(li)子(zi)流。整(zheng)個儲存(cun)(cun)環將會(hui)有2800個粒(li)(li)子(zi)團，最短碰撞(zhuang)周(zhou)期為(wei)(wei) 25 納秒（nanosecond）。在加速(su)器(qi)(qi)開始運(yun)作的(de)(de)(de)(de)初期，將會(hui)以軌道中放(fang)入(ru)較少的(de)(de)(de)(de)粒(li)(li)子(zi)團的(de)(de)(de)(de)方式運(yun)作，碰撞(zhuang)周(zhou)期為(wei)(wei) 75 納秒，再(zai)逐步提升到設計目標。
在粒子(zi)(zi)入射(she)到(dao)主加(jia)速環之前，會先經過(guo)一(yi)系(xi)列加(jia)速設施，逐(zhu)級提(ti)升能(neng)量。其中，由兩個直(zhi)線(xian)加(jia)速器所構成的(de)(de)質(zhi)子(zi)(zi)同(tong)(tong)(tong)步(bu)(bu)加(jia)速器 （PS）將產生50 MeV的(de)(de)能(neng)量，接著質(zhi)子(zi)(zi)同(tong)(tong)(tong)步(bu)(bu)推(tui)進器 （PSB）提(ti)升能(neng)量到(dao)1.4GeV。而(er)質(zhi)子(zi)(zi)同(tong)(tong)(tong)步(bu)(bu)加(jia)速環可(ke)達到(dao)26 GeV的(de)(de)能(neng)量。低能(neng)量入射(she)環（LEIR）為一(yi)離子(zi)(zi)儲存與冷卻的(de)(de)裝置。反物質(zhi)減速器 （AD）可(ke)以將3.57 GeV的(de)(de)反質(zhi)子(zi)(zi)，減速到(dao)2 GeV。最后超級質(zhi)子(zi)(zi)同(tong)(tong)(tong)步(bu)(bu)加(jia)速器(SPS）可(ke)提(ti)升質(zhi)子(zi)(zi)的(de)(de)能(neng)量到(dao)450 GeV。
LHC也可(ke)以(yi)用(yong)來(lai)加(jia)速(su)對(dui)撞重(zhong)離(li)子，例(li)如(ru)鉛（Pb）離(li)子可(ke)加(jia)速(su)到1150 TeV。由于LHC有著對(dui)工(gong)程技術上極端(duan)的(de)(de)(de)(de)挑戰，安全上的(de)(de)(de)(de)確保是極其重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)。當LHC開始運作(zuo)時，磁(ci)鐵中的(de)(de)(de)(de)總能(neng)量高達(da)100億焦耳(er)（GJ），而粒子束中的(de)(de)(de)(de)總能(neng)量也高達(da)725百萬焦耳(er)（MJ）。只需要10?7總粒子能(neng)量便可(ke)以(yi)使超導磁(ci)鐵脫離(li)超導態，而丟棄全部的(de)(de)(de)(de)加(jia)速(su)粒子可(ke)相當于一(yi)個小型(xing)的(de)(de)(de)(de)爆炸(zha)。
林恩·埃文斯(Lyn Evans)，歐洲大(da)型強子對撞(zhuang)機的(de)(de)領導(dao)者。是威爾士一位礦工的(de)(de)兒子，在(zai)阿布戴爾(Aberdare)中(zhong)學(xue)時(shi)就對科學(xue)萌發了興趣，獲得了英國斯旺西大(da)學(xue)的(de)(de)物理學(xue)博士學(xue)位。
1969年，他花3個月時間訪問了歐洲核子物理研(yan)究組織（CERN）項目。從此，他和妻子以及家人(ren)就定居(ju)在這里。65歲的(de)威(wei)爾士人(ren)林恩·埃文斯大概可以算得上(shang)(shang)是這個世界上(shang)(shang)對“爆炸”最執著的(de)人(ren)了。從小就愛用各(ge)種化學物質搗鼓點小爆炸的(de)他，長(chang)大后又對宇(yu)宙大爆炸產生了興(xing)趣。
為了模擬宇(yu)宙大爆(bao)炸，解開宇(yu)宙之謎，他一手“策劃(hua)”了堪(kan)稱世界上最大科學實驗(yan)的歐(ou)洲大型強(qiang)子對撞機（LHC）項目。從設計，建造(zao)，到實驗(yan)，埃文斯已經一路伴隨這個(ge)項目走過了近16個(ge)年頭。5個(ge)月前正(zheng)式從歐(ou)洲核子研究中心（CERN）退休后(hou)，埃文斯漸漸放(fang)慢(man)了工(gong)作節(jie)奏(zou)，但他依(yi)然(ran)沒有離開LHC項目。盡管不(bu)再擔(dan)任項目負責人，他在CMS（緊(jin)湊繆子線圈）實驗(yan)小組(zu)中仍然(ran)擔(dan)任著重(zhong)要工(gong)作。
歐洲(zhou)核子(zi)研究中心于2008年9月10日啟動(dong)大型強(qiang)子(zi)對(dui)撞(zhuang)機（LHC）。這個(ge)世界上最(zui)大的(de)機器，有望揭開宇(yu)宙(zhou)起源的(de)奧秘在內五大謎(mi)團。
過(guo)去幾(ji)十年來，物(wu)理學(xue)家(jia)不斷在細節上加(jia)深(shen)對構成宇宙的(de)(de)(de)基本(ben)粒子(zi)(zi)(zi)及其交互作用的(de)(de)(de)了解(jie)(jie)。了解(jie)(jie)的(de)(de)(de)加(jia)深(shen)讓(rang)粒子(zi)(zi)(zi)物(wu)理學(xue)的(de)(de)(de)“標準(zhun)模型(xing)”變(bian)得更為豐滿，但這(zhe)(zhe)個(ge)模型(xing)中仍(reng)存在縫隙，以至于(yu)我(wo)們無(wu)法繪制一幅完整的(de)(de)(de)圖畫。為了幫(bang)助科(ke)學(xue)家(jia)揭示粒子(zi)(zi)(zi)物(wu)理學(xue)上這(zhe)(zhe)些(xie)關(guan)鍵(jian)性(xing)的(de)(de)(de)未解(jie)(jie)之謎，需要大(da)(da)量實驗(yan)數據支(zhi)持，大(da)(da)型(xing)強子(zi)(zi)(zi)對撞(zhuang)機便擔負起(qi)“數據提(ti)供者”的(de)(de)(de)角色，這(zhe)(zhe)也是(shi)非(fei)常重要的(de)(de)(de)一個(ge)步驟。大(da)(da)型(xing)強子(zi)(zi)(zi)對撞(zhuang)機能(neng)夠將(jiang)兩束(shu)質子(zi)(zi)(zi)加(jia)速到(dao)(dao)空前的(de)(de)(de)能(neng)量狀態而后發(fa)生相撞(zhuang)，此時(shi)的(de)(de)(de)撞(zhuang)擊可能(neng)帶(dai)來意(yi)想(xiang)不到(dao)(dao)的(de)(de)(de)結果(guo)，絕對是(shi)任何人都(dou)無(wu)法想(xiang)象的(de)(de)(de)。
牛(niu)頓未完成的工作——什么(me)是質量(liang)？
質量的(de)(de)起源是什么？為什么微小(xiao)粒(li)(li)子擁(yong)有質量，而(er)其(qi)它一些(xie)粒(li)(li)子卻沒有這(zhe)(zhe)(zhe)種“待(dai)遇”？對于這(zhe)(zhe)(zhe)些(xie)問題(ti)，科學家到(dao)現在(zai)也沒有找到(dao)一個確(que)切答案(an)。最有可(ke)能(neng)的(de)(de)解(jie)釋似乎(hu)可(ke)以在(zai)希格斯玻色(se)(se)子身(shen)上找到(dao)。希格斯玻色(se)(se)子是“標(biao)準模(mo)型”這(zhe)(zhe)(zhe)一粒(li)(li)子物(wu)(wu)理學理論中(zhong)最后一種尚(shang)未被(bei)發(fa)現的(de)(de)粒(li)(li)子，它的(de)(de)存在(zai)是整(zheng)個“標(biao)準模(mo)型”的(de)(de)基石。早(zao)在(zai)1964年(nian)，蘇格蘭物(wu)(wu)理學家彼得·希格斯(Peter Higgs）便首次預言存在(zai)這(zhe)(zhe)(zhe)種粒(li)(li)子，科學家多(duo)次通過這(zhe)(zhe)(zhe)臺機器觀測到(dao)這(zhe)(zhe)(zhe)種粒(li)(li)子。
ATLAS和CMS實驗(yan)將積極尋找這種(zhong)難于捉摸的(de)粒子存在(zai)跡象。
一個(ge)“看不見(jian)”的問題(ti)——96%的宇(yu)宙由什么構成？
我(wo)們在宇(yu)宙(zhou)中看(kan)到(dao)的(de)(de)(de)一(yi)切——從小螞蟻到(dao)巨大的(de)(de)(de)星系——都是由普(pu)通粒子(zi)構成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)。這(zhe)些粒子(zi)被統稱為物(wu)(wu)(wu)(wu)質，它(ta)們構成(cheng)(cheng)了(le)4%的(de)(de)(de)宇(yu)宙(zhou)。余下的(de)(de)(de)部分據信(xin)由暗物(wu)(wu)(wu)(wu)質——不發光的(de)(de)(de)物(wu)(wu)(wu)(wu)質和(he)暗能量構成(cheng)(cheng)，它(ta)們對(dui)于整個(ge)宇(yu)宙(zhou)的(de)(de)(de)構成(cheng)(cheng)與運(yun)行(xing)有著極其重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)作用。對(dui)它(ta)們進行(xing)探測和(he)研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)難度不可想象。研(yan)究(jiu)暗物(wu)(wu)(wu)(wu)質和(he)暗能量的(de)(de)(de)性(xing)質是當今粒子(zi)物(wu)(wu)(wu)(wu)理學(xue)和(he)宇(yu)宙(zhou)學(xue)面臨的(de)(de)(de)最大挑(tiao)戰(zhan)之一(yi)。
ATLAS和CMS實(shi)驗(yan)將(jiang)尋找(zhao)超級對稱的(de)粒子(zi)，用于驗(yan)證一種與暗物(wu)質構成有關(guan)的(de)假(jia)設(she)。
大自(zi)然的(de)偏好——為什么找(zhao)不到反(fan)物質？
我(wo)們(men)生(sheng)活在一個(ge)由物(wu)質(zhi)構(gou)成的世(shi)界，宇(yu)(yu)宙萬物(wu)——包括我(wo)們(men)人類在內都是由物(wu)質(zhi)構(gou)成的。反(fan)(fan)物(wu)質(zhi)就像物(wu)質(zhi)的一個(ge)孿(luan)(luan)生(sheng)兄弟，但它(ta)(ta)卻(que)攜帶相(xiang)反(fan)(fan)電荷。在宇(yu)(yu)宙誕生(sheng)時，“大爆(bao)炸”產生(sheng)了(le)相(xiang)同(tong)數量(liang)的物(wu)質(zhi)和反(fan)(fan)物(wu)質(zhi)。然而(er)，一旦這對孿(luan)(luan)生(sheng)兄弟碰面，它(ta)(ta)們(men)就會“同(tong)歸于盡”，并(bing)最終轉換成能(neng)量(liang)。不知何故，少量(liang)物(wu)質(zhi)幸存(cun)下來，并(bing)形成我(wo)們(men)現在生(sheng)活的宇(yu)(yu)宙，而(er)它(ta)(ta)的孿(luan)(luan)生(sheng)兄弟反(fan)(fan)物(wu)質(zhi)卻(que)幾乎消(xiao)失得無影無蹤。為(wei)什么大自然不能(neng)一碗水端(duan)平，平等對待這對孿(luan)(luan)生(sheng)兄弟呢？
LHCb實驗將尋找(zhao)物(wu)(wu)質與反物(wu)(wu)質之間的(de)差異，幫助解(jie)(jie)釋大自然為何(he)如此(ci)偏向。此(ci)前的(de)實驗已經觀察到(dao)兩者之間的(de)些(xie)許不同，但迄今為止(zhi)的(de)研究發(fa)現還(huan)不足(zu)以(yi)解(jie)(jie)釋宇宙中的(de)物(wu)(wu)質和暗(an)物(wu)(wu)質為何(he)在數量上呈現出明顯的(de)不均(jun)衡(heng)。
“大爆炸”的秘密——物質在宇(yu)宙(zhou)誕生后的第一秒呈什(shen)么(me)狀(zhuang)態？
構成(cheng)宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)萬物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)質(zhi)據信來(lai)源于(yu)一(yi)系列密集(ji)而熾(chi)熱(re)的(de)(de)(de)(de)基本粒(li)子(zi)(zi)。現在(zai)宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)普(pu)通物(wu)(wu)質(zhi)由原子(zi)(zi)構成(cheng)，原子(zi)(zi)擁(yong)有一(yi)個由質(zhi)子(zi)(zi)和中(zhong)子(zi)(zi)構成(cheng)的(de)(de)(de)(de)核(he)子(zi)(zi)，質(zhi)子(zi)(zi)和中(zhong)子(zi)(zi)都是被稱之為“膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)”的(de)(de)(de)(de)其(qi)它粒(li)子(zi)(zi)束(shu)縛夸(kua)(kua)克形成(cheng)的(de)(de)(de)(de)。這種束(shu)縛非常強大(da)，但在(zai)最初(chu)的(de)(de)(de)(de)宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)，由于(yu)溫度極高加之能(neng)量巨大(da)，膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)很(hen)難將(jiang)夸(kua)(kua)克結合在(zai)一(yi)起。也就是說，這種束(shu)縛似(si)乎是在(zai)“大(da)爆(bao)炸”發生(sheng)后(hou)的(de)(de)(de)(de)最初(chu)幾微秒內形成(cheng)的(de)(de)(de)(de)，此時(shi)的(de)(de)(de)(de)宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)擁(yong)有一(yi)個由夸(kua)(kua)克和膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)構成(cheng)的(de)(de)(de)(de)非常熾(chi)熱(re)而密集(ji)的(de)(de)(de)(de)混合物(wu)(wu)，也就是所說的(de)(de)(de)(de)“夸(kua)(kua)克-膠(jiao)(jiao)子(zi)(zi)等離子(zi)(zi)體”。
ALICE實驗將利用大型強子(zi)對撞機(ji)模擬大爆(bao)炸(zha)發生(sheng)后的(de)原始宇宙形(xing)態，分(fen)析夸(kua)克-膠子(zi)等離子(zi)體的(de)性質。
隱藏(zang)的世界——空(kong)間的額外(wai)維度(du)真的存在嗎？
根據(ju)愛因斯坦廣(guang)義(yi)相對論，人類生存(cun)(cun)的(de)三(san)維空間加上時間軸即構成所謂四維時空。后來的(de)理(li)論認為，可能(neng)(neng)存(cun)(cun)在(zai)擁(yong)有(you)隱藏維度的(de)空間。弦理(li)論便(bian)暗(an)示額外的(de)空間維度尚未被人類觀察(cha)到，它們似乎會在(zai)高能(neng)(neng)條件下顯現(xian)出(chu)來。基于(yu)這(zhe)種(zhong)推(tui)測，科(ke)學家將對所有(you)探(tan)測器獲(huo)得的(de)數據(ju)進行仔細分析，以尋找額外維度存(cun)(cun)在(zai)跡象。
物(wu)理學(xue)家希望(wang)借(jie)由加速器對(dui)撞機來幫助他們解答下(xia)列的問題：
標(biao)準模型中所流行的造成基本粒子質量的希(xi)格斯機制(zhi)是真實(shi)的嗎(ma)？
真是如此的話，希(xi)格斯(si)粒子(zi)有多少(shao)種(zhong)，質量又分別是多少(shao)呢？
當重子的質(zhi)量被(bei)更精確的測量時，標準模型是否仍然(ran)成(cheng)立的？
粒子(zi)是(shi)否有(you)相對應的超對稱(cheng)（SUSY）粒子(zi)存(cun)在？
為何物質(zhi)與反(fan)物質(zhi)是不對(dui)稱的？
有(you)更高(gao)維度的空間(jian)（Kaluza-Kleintheory,extradimensions）存(cun)在嗎？
我們可以見(jian)到這啟發弦論(lun)的現象嗎？
宇宙有(you)96%的(de)質量是天文學上無法觀(guan)測到的(de)，這些到底是什(shen)么？
為何萬有(you)引力(li)(li)(li)比起其他三(san)個基本(ben)作用(yong)力(li)(li)(li)（電(dian)磁力(li)(li)(li)，強作用(yong)力(li)(li)(li)，弱作用(yong)力(li)(li)(li)）差了這么多(duo)個數量級？
重離子對撞機
雖然(ran)LHC的(de)(de)物(wu)理(li)實驗(yan)計(ji)劃，著重于(yu)研究質子(zi)對(dui)(dui)撞(zhuang)后的(de)(de)現象。然(ran)而(er)，短期(qi)的(de)(de)如每年一個月的(de)(de)重離(li)子(zi)對(dui)(dui)撞(zhuang)也在實驗(yan)計(ji)劃之中。雖然(ran)其他(ta)較輕的(de)(de)離(li)子(zi)對(dui)(dui)撞(zhuang)實驗(yan)也是可行的(de)(de)，主要的(de)(de)規劃為鉛(qian)離(li)子(zi)的(de)(de)對(dui)(dui)撞(zhuang)實驗(yan)。
世界上最大的機器
大(da)型強子對撞機的精(jing)確(que)周(zhou)長(chang)是(shi)2.6659萬(wan)米，內部(bu)總共有9300個(ge)磁(ci)體(ti)。大(da)型強子對撞機不僅是(shi)世界(jie)上最大(da)的粒子加速器，而且(qie)僅它(ta)的制(zhi)冷(leng)分配系統（cryogenic distribution system）的八(ba)分之一，就稱(cheng)得上是(shi)世界(jie)上最大(da)的制(zhi)冷(leng)機。制(zhi)冷(leng)分配系統在充滿近60噸(dun)液態(tai)氦，將(jiang)所有磁(ci)體(ti)都冷(leng)卻到零下(xia)271.3℃（1.9開氏(shi)度）前，它(ta)將(jiang)先(xian)利用(yong)1.008萬(wan)噸(dun)液態(tai)氮將(jiang)這些磁(ci)體(ti)的溫(wen)度降(jiang)低到零下(xia)193.2℃。
世界上最快的跑道
功(gong)率(lv)達到最大(da)(da)時，數(shu)萬億(yi)(yi)個質子將在(zai)大(da)(da)型強子對撞機(ji)周(zhou)圍的(de)加速(su)器環內以(yi)每秒(miao)1.1245萬次的(de)頻率(lv)急(ji)速(su)穿(chuan)行(xing)(xing)，它們的(de)速(su)度(du)是(shi)光(guang)速(su)的(de)99.9999991%。兩束(shu)質子束(shu)分(fen)別以(yi)70000億(yi)(yi)電子伏特的(de)最大(da)(da)功(gong)率(lv)相向而行(xing)(xing)，在(zai)功(gong)率(lv)達到140000億(yi)(yi)電子伏特時發生碰撞。每秒(miao)總共(gong)能(neng)發生大(da)(da)約6億(yi)(yi)次撞擊。
太陽系中最空的空間
為了避免加速器中的粒子束與空氣分子相撞，這(zhe)些粒子(zi)束(shu)在像行星間的(de)空間一(yi)樣空蕩的(de)超真(zhen)空環境中(zhong)穿行。大型強(qiang)子(zi)對撞機的(de)內壓(ya)(ya)是(shi)10^（-13）（10的(de)負13次方）個大氣壓(ya)(ya)，比月球(qiu)上(shang)的(de)壓(ya)(ya)力小(xiao)10倍。
銀河系最熱點
大型強子對(dui)撞機是一個極(ji)(ji)熱和極(ji)(ji)冷(leng)并存的(de)(de)(de)機器(qi)。當兩束質(zhi)子束相撞時，它們將在一個極(ji)(ji)小的(de)(de)(de)空(kong)間內(nei)產生比(bi)(bi)太陽中(zhong)心熱10萬(wan)倍的(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)(wen)。與之相比(bi)(bi)，促使(shi)超流體氦在加(jia)速器(qi)環周(zhou)圍(wei)循環的(de)(de)(de)制冷(leng)分配系統，讓大型強子對(dui)撞機保(bao)持(chi)在零(ling)下271.3℃（1.9開(kai)氏度）的(de)(de)(de)超低溫(wen)(wen)環境(jing)下，這個溫(wen)(wen)度比(bi)(bi)外太空(kong)的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度還低。
史上最先進的探測器
為了(le)(le)抽樣(yang)檢查和(he)記錄(lu)每秒多達6億次(ci)的(de)(de)質子(zi)(zi)相(xiang)撞結(jie)果(guo)，物理學(xue)家和(he)工程師已(yi)經(jing)制造了(le)(le)測(ce)量(liang)粒子(zi)(zi)的(de)(de)精確(que)(que)度是微(wei)米(mi)的(de)(de)龐(pang)大(da)儀器(qi)。大(da)型強子(zi)(zi)對撞機(ji)的(de)(de)探測(ce)器(qi)擁有(you)先(xian)進的(de)(de)電子(zi)(zi)觸發(fa)系統，它測(ce)量(liang)粒子(zi)(zi)經(jing)過時所用時間的(de)(de)精確(que)(que)度，大(da)約是十億分之一秒。這個觸發(fa)系統在確(que)(que)定(ding)粒子(zi)(zi)的(de)(de)位置(zhi)時，精確(que)(que)度可達百萬(wan)分之一米(mi)。這種令人難以(yi)置(zhi)信的(de)(de)快速和(he)精確(que)(que)反應，是確(que)(que)保一個探測(ce)器(qi)連續層內記錄(lu)的(de)(de)粒子(zi)(zi)保持一致的(de)(de)基礎(chu)。
世界最強大計算機系統
記(ji)錄大型(xing)強(qiang)子對(dui)撞(zhuang)機進行的每項大試驗(yan)的數(shu)據，每年(nian)大約足夠刻10億(yi)張雙(shuang)面DVD光盤。據估計，大型(xing)強(qiang)子對(dui)撞(zhuang)機的壽命是15年(nian)。為(wei)了(le)讓世界各(ge)地的數(shu)千名科(ke)學家在未來15年(nian)內通(tong)力(li)合作，分(fen)(fen)析這些數(shu)據，分(fen)(fen)布在世界各(ge)地的好幾(ji)萬臺(tai)電腦將利(li)用一種被稱(cheng)作網(wang)格的分(fen)(fen)散式計算網(wang)（distributed computing network）實施(shi)研究工作。
世(shi)界(jie)(jie)各地的數(shu)千名科學家都希望了(le)解(jie)并分析這(zhe)(zhe)些數(shu)據。為了(le)解(jie)決這(zhe)(zhe)個問題，目前歐(ou)洲粒(li)子(zi)物(wu)理(li)研究所（CERN）正在建一(yi)個分散的計(ji)算(suan)和數(shu)據儲存設施——大型(xing)強子(zi)對撞(zhuang)機(ji)計(ji)算(suan)網格(ge)（LCG）。大型(xing)強子(zi)對撞(zhuang)機(ji)實(shi)驗產生(sheng)的數(shu)據，將(jiang)(jiang)通過歐(ou)洲粒(li)子(zi)物(wu)理(li)研究所記錄在磁帶進行原始文件(jian)備(bei)份(fen)后(hou)，再分發到世(shi)界(jie)(jie)各地。經過初(chu)始加工，這(zhe)(zhe)種數(shu)據將(jiang)(jiang)被(bei)傳送到可為大量數(shu)據提供充足(zu)儲存空間(jian)的一(yi)系列大型(xing)計(ji)算(suan)機(ji)中(zhong)心，這(zhe)(zhe)些計(ji)算(suan)機(ji)中(zhong)心一(yi)天二十四小時不停地為大型(xing)強子(zi)對撞(zhuang)機(ji)計(ji)算(suan)網格(ge)提供服務。
中(zhong)國(guo)臺(tai)灣(wan)(wan)也(ye)參與其(qi)中(zhong)，負責其(qi)中(zhong)兩項(xiang)重要系統的研(yan)(yan)發，并處理龐大實驗數(shu)據(ju)。亞洲(zhou)唯(wei)一(yi)的電腦中(zhong)心(xin)就設(she)在臺(tai)灣(wan)(wan)的中(zhong)研(yan)(yan)院。這次臺(tai)灣(wan)(wan)約有(you)40名科學家參與這項(xiang)國(guo)際實驗，負責世界上(shang)最大與最重的偵測(ce)器(qi)研(yan)(yan)發，而(er)且處理龐大實驗數(shu)據(ju)所倚賴的「網格電腦」就設(she)在臺(tai)灣(wan)(wan)的中(zhong)研(yan)(yan)院。
經(jing)過(guo)這些計算(suan)機中心的(de)處理(li)，其他設(she)備就可(ke)(ke)使用這些數據了(le)，其他的(de)設(she)備每個(ge)都有一個(ge)或(huo)幾個(ge)實施(shi)特殊分析任務的(de)聯合計算(suan)機中心組成。當個(ge)科學家可(ke)(ke)通過(guo)大(da)(da)學部(bu)門(men)的(de)局(ju)域(yu)網或(huo)個(ge)人電腦了(le)解這些設(she)備，這些人可(ke)(ke)能會經(jing)常查看大(da)(da)型強子對撞機計算(suan)網格。
2014年7月，中國北京高(gao)能物(wu)理研(yan)究所正在籌備一個(ge)兩倍于(yu)LHC的環(huan)形粒子對(dui)撞機(ji)。
中國將要(yao)修建的(de)對(dui)(dui)撞機(ji)周長達到了52公(gong)里，對(dui)(dui)撞能量高達70 TeV。按計劃，中國的(de)對(dui)(dui)撞機(ji)將在(zai)初(chu)期(qi)階段只針對(dui)(dui)電子(zi)，且對(dui)(dui)撞能量僅有能量240 GeV，而后期(qi)則逐漸開足(zu)馬力進行質子(zi)對(dui)(dui)撞。
預計中國的對撞機將在2028年投入使用(yong)，耗資30億美元，目(mu)前尚不清楚這(zhe)是否是一個與國外(wai)同行(xing)攜手(shou)進行(xing)的聯合項目(mu)。
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