建造(zao)過程和(he)探(tan)索(suo)微觀粒子的(de)目的(de)
大型強子(zi)對撞(zhuang)器，英(ying)文名稱為(wei)(wei)LHC（Large Hadron Collider）是一座位于(yu)瑞士日內(nei)瓦近郊歐洲核子(zi)研(yan)究組織CERN的粒子(zi)加速器與對撞(zhuang)機(ji)，作為(wei)(wei)國(guo)際(ji)高(gao)能物理學研(yan)究之用。地理坐(zuo)標為(wei)(wei)北緯46°14′00″，東經(jing)6°03′00″46.23;6.05， LHC已經(jing)建造完成。
大(da)(da)型強(qiang)子(zi)(zi)對撞機(ji)將是世界上(shang)最(zui)大(da)(da)、能(neng)(neng)量(liang)最(zui)高的粒(li)子(zi)(zi)加速(su)器(qi)，來自大(da)(da)約(yue)80個(ge)(ge)國家(jia)的7000名科學家(jia)和工(gong)程師(shi)。由40個(ge)(ge)國家(jia)建(jian)造。是一種將質子(zi)(zi)加速(su)對撞的高能(neng)(neng)物理設(she)備。它是一個(ge)(ge)圓形加速(su)器(qi)，深埋于(yu)地下100米，它的環狀隧道有(you) 27 公里長，坐落于(yu)在瑞(rui)士日內瓦的歐洲核子(zi)(zi)研(yan)究(jiu)中心（又名歐洲粒(li)子(zi)(zi)物理實驗室），橫(heng)跨法國和瑞(rui)士的邊境(jing)。
為了節省成本，物(wu)理(li)學家們(men)沒有開鑿一(yi)條(tiao)昂貴的(de)(de)(de)新隧道(dao)來容(rong)納(na)新的(de)(de)(de)對(dui)撞機，而是(shi)決(jue)定(ding)拆掉原來安置在(zai)歐洲原子(zi)(zi)核研(yan)究中心(xin)的(de)(de)(de)正(zheng)(zheng)負電(dian)子(zi)(zi)加速器，代(dai)之以建(jian)造(zao)大型強(qiang)子(zi)(zi)對(dui)撞機所需要(yao)(yao)的(de)(de)(de)5萬噸設(she)備(bei)。當兩個質子(zi)(zi)束在(zai)環(huan)形隧道(dao)中沿著(zhu)反方向運(yun)動的(de)(de)(de)時候，強(qiang)大的(de)(de)(de)電(dian)場使(shi)它(ta)們(men)的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)急(ji)劇(ju)增加。這些粒(li)(li)子(zi)(zi)每運(yun)行一(yi)圈，就(jiu)會獲(huo)得更多的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)。要(yao)(yao)保(bao)持(chi)如此(ci)高能(neng)量(liang)的(de)(de)(de)質子(zi)(zi)束繼續運(yun)行需要(yao)(yao)非常強(qiang)大的(de)(de)(de)磁場。這么(me)強(qiang)的(de)(de)(de)磁場是(shi)由冷卻到接近絕對(dui)零度的(de)(de)(de)超(chao)(chao)導(dao)電(dian)磁體產生的(de)(de)(de)。物(wu)理(li)學家們(men)最(zui)希(xi)望建(jian)造(zao)的(de)(de)(de)是(shi)一(yi)個30公里(li)長的(de)(de)(de)機器，它(ta)能(neng)以至少(shao)5千(qian)億電(dian)子(zi)(zi)伏的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)將電(dian)子(zi)(zi)和正(zheng)(zheng)電(dian)子(zi)(zi)一(yi)起(qi)粉碎(sui)。 目前；對(dui)撞機已經發(fa)現了‘希(xi)格(ge)(ge)斯粒(li)(li)子(zi)(zi)希(xi)格(ge)(ge)斯玻色子(zi)(zi)的(de)(de)(de)存(cun)(cun)在(zai)，升級后發(fa)現‘夸(kua)(kua)克(ke)奇異重子(zi)(zi)’五種夸(kua)(kua)克(ke)的(de)(de)(de)‘味變’集合(he)體存(cun)(cun)在(zai)，改(gai)造(zao)升級能(neng)量(liang)的(de)(de)(de)加大還會‘探索發(fa)現’超(chao)(chao)對(dui)稱粒(li)(li)子(zi)(zi)和希(xi)格(ge)(ge)斯耦合(he)粒(li)(li)子(zi)(zi)與(yu)粒(li)(li)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)額外維(wei)相存(cun)(cun)在(zai)。
LHC是一個國(guo)際合作的(de)計劃，由34個國(guo)家超過兩千位物理學家所(suo)屬的(de)大學與(yu)實驗室所(suo)共同出資(zi)合作興建的(de)。
LHC包含了(le)一個圓周為27公里的(de)圓形隧道，因當地地形的(de)緣故位于(yu)地下(xia)50至150米(mi)之間。這是(shi)先前大型電(dian)子正子加速器(qi)（LEP）所(suo)使用隧道的(de)再(zai)利用，隧道本(ben)身直徑(jing)三米(mi)，位于(yu)同一平面上(shang)，并貫穿瑞士與法(fa)(fa)國(guo)邊境，主要(yao)的(de)部分大半位于(yu)法(fa)(fa)國(guo)。雖然隧道本(ben)身位于(yu)地底下(xia)，尚有許多地面設(she)(she)施如冷(leng)卻壓縮機(ji)，通風設(she)(she)備，控制電(dian)機(ji)設(she)(she)備，還有冷(leng)凍槽等等建(jian)構(gou)于(yu)其(qi)上(shang)。
加速器通道中(zhong)，主要是放置兩個質(zhi)子束管(guan)。加速管(guan)由超(chao)導(dao)磁(ci)鐵所包覆(fu)，以(yi)液態(tai)氦來冷卻。管(guan)中(zhong)的質(zhi)子是以(yi)相反的方向(xiang)(xiang)，環繞著整個環型加速器運行。除(chu)此(ci)之外，在四(si)個實驗碰撞點附(fu)近，另有安裝其他的偏向(xiang)(xiang)磁(ci)鐵及聚焦磁(ci)鐵。
LHC加速環的(de)四(si)個碰撞點，分別設有五個偵(zhen)測(ce)器(qi)在碰撞點的(de)地穴中(zhong)。其中(zhong)超環面儀(yi)器(qi) （ATLAS）與緊湊(cou)渺(miao)子(zi)線圈(quan)（CMS）是通用型的(de)粒子(zi)偵(zhen)測(ce)器(qi)。其他三個（LHC底夸(kua)克偵(zhen)測(ce)器(qi)（LHCb），大型離子(zi)對撞器(qi)（ALICE）以及全(quan)截面彈性散(san)射偵(zhen)測(ce)器(qi)（TOTEM）則是較(jiao)小(xiao)型的(de)特(te)殊目標(biao)偵(zhen)測(ce)器(qi)。
1994年，大型強(qiang)子(zi)(zi)對(dui)撞機(ji)項目立(li)項后，林(lin)恩·埃(ai)文斯理所當然地(di)就成為了這個耗(hao)資百億美元的項目的負責(ze)人。對(dui)撞機(ji)從設計到建造，都(dou)由他全(quan)權負責(ze)。14年后，在瑞士和法國交界地(di)區地(di)下100米深處的周長為27公(gong)里的環形(xing)隧道里，埃(ai)文斯和全(quan)球80多個國家近萬名科學家的心(xin)血結晶——大型強(qiang)子(zi)(zi)對(dui)撞機(ji)正式建成。
在2005年10月25日，因(yin)為(wei)起重機(ji)載貨的意外掉落，造成(cheng)一位技術人(ren)員的喪生。
2007年3月27日，由(you)費(fei)米實驗室所負責建造(zao)，一個用于(yu) LHC 內(nei)部(bu)的(de)三極(ji)低溫超導磁(ci)鐵(tie)（屬于(yu)聚焦用四(si)極(ji)磁(ci)鐵(tie)），因為支撐架的(de)設(she)計不良，在壓(ya)力(li)測試(shi)時(shi)發生破損(sun)。雖然沒有造(zao)成人員的(de)傷亡(wang)，但是(shi)卻嚴重影響(xiang)了 LHC 開始(shi)運作的(de)時(shi)程。
2008年6月15日，在埃文(wen)斯(si)的退(tui)休儀式上，這6位主(zhu)任紛紛親自(zi)出面(mian)或通過視頻向他致(zhi)以敬(jing)意。他們還聯(lian)合(he)簽署了一(yi)(yi)份文(wen)件，將大型(xing)強子對(dui)撞(zhuang)機(ji)以林恩·埃文(wen)斯(si)的名字命名，并制作了一(yi)(yi)個對(dui)撞(zhuang)機(ji)偶(ou)極子的小(xiao)模型(xing)贈送(song)給(gei)埃文(wen)斯(si)。
2008年9月10日，對撞機(ji)初次啟動進(jin)行測試。埃(ai)文斯(si)將手指放在鼠標上，親自(zi)點擊啟動了(le)首次測試。這次測試是研(yan)究人員(yuan)將一個質(zhi)子束(shu)以順時針方向注入到加(jia)速(su)(su)器中(zhong)，讓其加(jia)速(su)(su)到99.9998%光速(su)(su)的超快速(su)(su)度，從而使此質(zhi)子束(shu)在全長27公里的環形隧道(dao)中(zhong)以每秒11245圈的速(su)(su)度狂飆。這一幕通(tong)過網絡視頻向世界進(jin)行了(le)直播，還有300多名(ming)記者來(lai)到此實(shi)驗室(shi)目(mu)睹測試過程(cheng)。
2008年9月(yue)19日，LHC，第(di)(di)三(san)與第(di)(di)四段之間，用來冷(leng)卻超(chao)導(dao)磁鐵的(de)液態氦，發生了嚴重的(de)泄漏。據(ju)推測是由于聯接兩個(ge)超(chao)導(dao)磁鐵的(de)接點接觸不良，在(zai)超(chao)導(dao)高電流的(de)情況下融毀所造(zao)成的(de)。依據(ju)CERN的(de)安全(quan)條(tiao)例(li)，必需將(jiang)磁鐵升回到室溫后詳細檢查才(cai)能繼(ji)續運(yun)轉，這(zhe)將(jiang)需要(yao)三(san)到四周(zhou)的(de)時間。要(yao)再(zai)冷(leng)卻回運(yun)作(zuo)溫度，也(ye)是得經過三(san)四周(zhou)的(de)時間，如此正好(hao)遇上預定(ding)的(de)年度檢修(xiu)時程，因此要(yao)開始運(yun)作(zuo)將(jiang)可能延遲至2009年春(chun)天。
2008年(nian)10月16日，CERN發布了關于液態(tai)氦泄(xie)漏(lou)事件的調(diao)查(cha)分析，證實了先前推測(ce)的為兩超導磁鐵(tie)間接點不良(liang)所(suo)造成的。由于安(an)全條例確實地(di)實行、安(an)全設計(ji)皆有正常工作、并且替換(huan)用的零件都(dou)有庫存，預期2009年(nian)6月重(zhong)啟。
2008年9月10日下午15：30正式開始運作，成為世(shi)界上最(zui)大的粒(li)子加速器設(she)施。
2008年(nian)9月19日，LHC第三(san)與第四段之間，用來冷卻超導磁鐵的液(ye)態氦，發生了(le)嚴(yan)重的泄漏，導致對撞(zhuang)機暫(zan)停運轉(zhuan)。
自大約80個國家的7000名(ming)科學(xue)家和工(gong)程師參與了該項目。
60余名中(zhong)(zhong)國科學(xue)(xue)(xue)(xue)家（其中(zhong)(zhong)近四十人為(wei)臺灣科學(xue)(xue)(xue)(xue)家）參與(yu)強(qiang)子對(dui)撞機實(shi)(shi)驗(yan)。四個主(zhu)要實(shi)(shi)驗(yan)均有中(zhong)(zhong)國科研單位和高(gao)校參與(yu)，分別為(wei)：中(zhong)(zhong)科院高(gao)能物理研究(jiu)所、中(zhong)(zhong)國科技大學(xue)(xue)(xue)(xue)、山東大學(xue)(xue)(xue)(xue)、南京大學(xue)(xue)(xue)(xue)參與(yu)ATLAS實(shi)(shi)驗(yan)；中(zhong)(zhong)科院高(gao)能物理研究(jiu)所、北京大學(xue)(xue)(xue)(xue)參與(yu)CMS實(shi)(shi)驗(yan)；華中(zhong)(zhong)師范大學(xue)(xue)(xue)(xue)參與(yu)ALICE實(shi)(shi)驗(yan)；清華大學(xue)(xue)(xue)(xue)參與(yu)LHCb實(shi)(shi)驗(yan)。
大型強子(zi)(zi)對撞機(ji)（LHC）是歐洲粒子(zi)(zi)物理研究所(CERN）的加速器復合體的最新(xin)補充。
在(zai)這(zhe)個(ge)(ge)加速(su)(su)(su)器里面，2束(shu)高能粒子(zi)流(liu)在(zai)彼(bi)此(ci)相撞之(zhi)前(qian)，以接(jie)近光速(su)(su)(su)的(de)速(su)(su)(su)度(du)向前(qian)傳播(bo)。這(zhe)兩束(shu)粒子(zi)流(liu)分(fen)別通過不同光束(shu)管，向相反方向傳播(bo)，這(zhe)兩根管子(zi)都處于超(chao)高真空(kong)狀(zhuang)態。一個(ge)(ge)強磁(ci)(ci)(ci)場(chang)促使它們圍繞(rao)那個(ge)(ge)加速(su)(su)(su)環運行(xing)(xing)，這(zhe)個(ge)(ge)強磁(ci)(ci)(ci)場(chang)是(shi)利用超(chao)導(dao)電(dian)磁(ci)(ci)(ci)石(shi)獲得的(de)。這(zhe)些(xie)超(chao)導(dao)電(dian)磁(ci)(ci)(ci)石(shi)是(shi)利用特(te)殊電(dian)纜線制成的(de)，它們在(zai)超(chao)導(dao)狀(zhuang)態下進行(xing)(xing)操作，有(you)效傳導(dao)電(dian)流(liu)，沒有(you)電(dian)阻消(xiao)耗或能量損失。要達到(dao)這(zhe)種結果(guo)，大約需要將磁(ci)(ci)(ci)體冷(leng)卻到(dao)零下271℃，這(zhe)個(ge)(ge)溫(wen)度(du)比(bi)外太(tai)空(kong)的(de)溫(wen)度(du)還低。由于這(zhe)個(ge)(ge)原因(yin)，大部(bu)分(fen)加速(su)(su)(su)器都與一個(ge)(ge)液態氦分(fen)流(liu)系統和其他設備相連，這(zhe)個(ge)(ge)液態氦分(fen)流(liu)系統是(shi)用來冷(leng)卻磁(ci)(ci)(ci)體的(de)。
大型(xing)(xing)強子(zi)對(dui)撞(zhuang)機利用(yong)(yong)數(shu)千個種類不同，型(xing)(xing)號各異的(de)(de)磁(ci)體(ti)(ti)(ti)(ti)，給該加速(su)器(qi)周(zhou)圍的(de)(de)粒(li)(li)子(zi)束指引方向。這些磁(ci)體(ti)(ti)(ti)(ti)中包(bao)括15米長的(de)(de)1232雙極(ji)磁(ci)體(ti)(ti)(ti)(ti)和392四極(ji)磁(ci)體(ti)(ti)(ti)(ti)，1232雙極(ji)磁(ci)體(ti)(ti)(ti)(ti)被(bei)(bei)用(yong)(yong)來(lai)彎曲粒(li)(li)子(zi)束，392四極(ji)磁(ci)體(ti)(ti)(ti)(ti)每個都有5到7米長，它(ta)們被(bei)(bei)用(yong)(yong)來(lai)集中粒(li)(li)子(zi)流。在(zai)碰撞(zhuang)之前，大型(xing)(xing)強子(zi)對(dui)撞(zhuang)機利用(yong)(yong)另一(yi)種類型(xing)(xing)的(de)(de)磁(ci)體(ti)(ti)(ti)(ti)“擠壓”粒(li)(li)子(zi)，讓(rang)(rang)它(ta)們彼此靠的(de)(de)更近，以增加它(ta)們成功相(xiang)撞(zhuang)的(de)(de)機會。這些粒(li)(li)子(zi)非常小，讓(rang)(rang)它(ta)們相(xiang)撞(zhuang)，就(jiu)如同讓(rang)(rang)從相(xiang)距(ju)10公里(li)的(de)(de)兩地發(fa)射出(chu)來(lai)的(de)(de)兩根針相(xiang)撞(zhuang)一(yi)樣。
這(zhe)(zhe)個加(jia)速器、它的(de)儀(yi)器和技(ji)術方面的(de)基礎(chu)設施的(de)操作器，都(dou)安裝在(zai)(zai)歐洲粒子(zi)物理研究所控制(zhi)中心的(de)同一座建(jian)筑(zhu)內。在(zai)(zai)這(zhe)(zhe)里，大型強子(zi)對撞機內的(de)粒子(zi)流將(jiang)在(zai)(zai)加(jia)速器環周圍的(de)4個區域相(xiang)撞，這(zhe)(zhe)4個區域與粒子(zi)探測器的(de)位置相(xiang)對應(ying)。
兩個(ge)對撞加速(su)管中的(de)(de)(de)質子(zi)，各(ge)具有的(de)(de)(de)能量為(wei) 7 TeV （兆兆電子(zi)伏(fu)特(te)），總(zong)撞擊能量達 14 TeV之(zhi)譜。每個(ge)質子(zi)環繞整個(ge)儲存環的(de)(de)(de)時(shi)間為(wei) 89 微(wei)秒(miao)（microsecond）。因為(wei)同步加速(su)器的(de)(de)(de)特(te)性，加速(su)管中的(de)(de)(de)粒(li)子(zi)是以粒(li)子(zi)團(tuan)(tuan)（bunch）的(de)(de)(de)形(xing)式，而非連續的(de)(de)(de)粒(li)子(zi)流。整個(ge)儲存環將會有2800個(ge)粒(li)子(zi)團(tuan)(tuan)，最短碰撞周(zhou)期為(wei) 25 納(na)秒(miao)（nanosecond）。在加速(su)器開始(shi)運作(zuo)的(de)(de)(de)初期，將會以軌道(dao)中放入較少(shao)的(de)(de)(de)粒(li)子(zi)團(tuan)(tuan)的(de)(de)(de)方式運作(zuo)，碰撞周(zhou)期為(wei) 75 納(na)秒(miao)，再逐步提升到設計(ji)目標。
在粒子(zi)入射(she)到(dao)主加速(su)(su)(su)(su)環(huan)之前，會先(xian)經過一系列加速(su)(su)(su)(su)設(she)施，逐級提(ti)升能(neng)(neng)量(liang)(liang)。其中，由(you)兩個直線加速(su)(su)(su)(su)器(qi)所構成的(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)同步(bu)加速(su)(su)(su)(su)器(qi) （PS）將(jiang)產生50 MeV的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)，接著質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)同步(bu)推(tui)進器(qi) （PSB）提(ti)升能(neng)(neng)量(liang)(liang)到(dao)1.4GeV。而質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)同步(bu)加速(su)(su)(su)(su)環(huan)可(ke)(ke)達(da)到(dao)26 GeV的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)。低能(neng)(neng)量(liang)(liang)入射(she)環(huan)（LEIR）為一離子(zi)儲存與冷卻的(de)(de)(de)(de)裝置。反(fan)物質(zhi)(zhi)(zhi)減(jian)速(su)(su)(su)(su)器(qi) （AD）可(ke)(ke)以將(jiang)3.57 GeV的(de)(de)(de)(de)反(fan)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)，減(jian)速(su)(su)(su)(su)到(dao)2 GeV。最后超級質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)同步(bu)加速(su)(su)(su)(su)器(qi)(SPS）可(ke)(ke)提(ti)升質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)到(dao)450 GeV。
LHC也可(ke)以(yi)(yi)用來加速(su)(su)對撞(zhuang)重離(li)子(zi)(zi)，例如鉛（Pb）離(li)子(zi)(zi)可(ke)加速(su)(su)到1150 TeV。由于LHC有著對工程(cheng)技術上(shang)極端的(de)(de)(de)挑戰(zhan)，安全上(shang)的(de)(de)(de)確保是極其重要的(de)(de)(de)。當LHC開始運作(zuo)時，磁鐵中(zhong)的(de)(de)(de)總能量(liang)高達(da)(da)100億焦(jiao)耳（GJ），而(er)粒子(zi)(zi)束(shu)中(zhong)的(de)(de)(de)總能量(liang)也高達(da)(da)725百萬(wan)焦(jiao)耳（MJ）。只需要10?7總粒子(zi)(zi)能量(liang)便可(ke)以(yi)(yi)使超(chao)導磁鐵脫離(li)超(chao)導態，而(er)丟棄全部的(de)(de)(de)加速(su)(su)粒子(zi)(zi)可(ke)相當于一(yi)個小型的(de)(de)(de)爆炸。
林恩·埃文斯(Lyn Evans)，歐洲大(da)型(xing)強子對(dui)撞機的領導者。是威爾(er)士(shi)一位礦工的兒子，在阿布戴爾(er)(Aberdare)中學時就對(dui)科學萌發了(le)興趣，獲得(de)了(le)英國斯旺西(xi)大(da)學的物理學博士(shi)學位。
1969年，他花(hua)3個月(yue)時間訪(fang)問了(le)歐洲核子(zi)物理研(yan)究組織（CERN）項目。從此，他和妻子(zi)以(yi)及家人就定居在這里。65歲的(de)(de)威(wei)爾(er)士人林恩(en)·埃文斯大概可以(yi)算(suan)得上是這個世界上對(dui)“爆(bao)(bao)炸(zha)”最執著的(de)(de)人了(le)。從小就愛用各(ge)種化學物質(zhi)搗鼓點(dian)小爆(bao)(bao)炸(zha)的(de)(de)他，長大后又對(dui)宇宙大爆(bao)(bao)炸(zha)產生了(le)興趣。
為了(le)模(mo)擬宇宙大(da)爆炸(zha)，解(jie)開宇宙之(zhi)謎(mi)，他一手“策(ce)劃”了(le)堪稱(cheng)世界上最大(da)科學實(shi)(shi)驗的歐洲大(da)型強子對撞機（LHC）項目。從(cong)設計，建(jian)造，到實(shi)(shi)驗，埃(ai)文(wen)斯(si)已經一路伴(ban)隨這個(ge)項目走過了(le)近16個(ge)年頭。5個(ge)月前(qian)正式從(cong)歐洲核子研究中(zhong)心（CERN）退休后，埃(ai)文(wen)斯(si)漸漸放慢了(le)工作(zuo)節奏，但他依然(ran)沒有離開LHC項目。盡(jin)管不再擔任(ren)項目負(fu)責人，他在(zai)CMS（緊湊繆子線圈）實(shi)(shi)驗小組中(zhong)仍然(ran)擔任(ren)著重要工作(zuo)。
歐(ou)洲(zhou)核子研究中(zhong)心于2008年9月10日啟動大(da)(da)型強子對撞機（LHC）。這個世界上最大(da)(da)的機器，有(you)望揭開宇宙起源的奧秘在(zai)內五(wu)大(da)(da)謎團。
過去幾十年(nian)來，物理學家(jia)(jia)不(bu)斷在細(xi)節(jie)上加深對(dui)構成宇宙的(de)基本粒(li)(li)子及其交互作用的(de)了解(jie)。了解(jie)的(de)加深讓粒(li)(li)子物理學的(de)“標(biao)準(zhun)模型(xing)(xing)”變得更為豐(feng)滿，但這個模型(xing)(xing)中仍(reng)存在縫隙(xi)，以至于(yu)我們(men)無法繪(hui)制一(yi)幅完整的(de)圖(tu)畫。為了幫(bang)助科學家(jia)(jia)揭示粒(li)(li)子物理學上這些關鍵性的(de)未解(jie)之謎，需要(yao)大(da)(da)量實驗數據(ju)支持，大(da)(da)型(xing)(xing)強子對(dui)撞(zhuang)(zhuang)機便擔(dan)負(fu)起“數據(ju)提(ti)供者”的(de)角(jiao)色，這也是非常重要(yao)的(de)一(yi)個步驟。大(da)(da)型(xing)(xing)強子對(dui)撞(zhuang)(zhuang)機能(neng)(neng)夠將兩(liang)束質子加速到空前的(de)能(neng)(neng)量狀態(tai)而后發(fa)生相(xiang)撞(zhuang)(zhuang)，此(ci)時的(de)撞(zhuang)(zhuang)擊可能(neng)(neng)帶來意想(xiang)(xiang)不(bu)到的(de)結果，絕對(dui)是任何人都(dou)無法想(xiang)(xiang)象的(de)。
牛頓未完成的工作——什(shen)么(me)是質(zhi)量？
質(zhi)量(liang)的(de)(de)起源是什(shen)么？為什(shen)么微小粒(li)子(zi)(zi)擁有(you)質(zhi)量(liang)，而其它一(yi)(yi)些(xie)粒(li)子(zi)(zi)卻沒(mei)有(you)這(zhe)(zhe)種“待遇”？對(dui)于這(zhe)(zhe)些(xie)問題，科學家(jia)到(dao)現在(zai)也沒(mei)有(you)找到(dao)一(yi)(yi)個確切答案(an)。最有(you)可能的(de)(de)解釋(shi)似(si)乎可以在(zai)希格(ge)(ge)斯玻(bo)色(se)(se)子(zi)(zi)身(shen)上找到(dao)。希格(ge)(ge)斯玻(bo)色(se)(se)子(zi)(zi)是“標準模(mo)型”這(zhe)(zhe)一(yi)(yi)粒(li)子(zi)(zi)物理學理論中最后一(yi)(yi)種尚未被發現的(de)(de)粒(li)子(zi)(zi)，它的(de)(de)存在(zai)是整個“標準模(mo)型”的(de)(de)基石。早在(zai)1964年，蘇格(ge)(ge)蘭物理學家(jia)彼得·希格(ge)(ge)斯(Peter Higgs）便首次(ci)預言存在(zai)這(zhe)(zhe)種粒(li)子(zi)(zi)，科學家(jia)多次(ci)通(tong)過(guo)這(zhe)(zhe)臺機(ji)器觀測到(dao)這(zhe)(zhe)種粒(li)子(zi)(zi)。
ATLAS和CMS實驗(yan)將積極尋找這(zhe)種(zhong)難于捉摸的粒子(zi)存在跡象。
一個“看不(bu)見”的(de)問題——96%的(de)宇宙由(you)什么構成？
我們在宇(yu)宙(zhou)(zhou)中看(kan)到(dao)的(de)(de)(de)(de)一切——從小(xiao)螞(ma)蟻(yi)到(dao)巨大(da)的(de)(de)(de)(de)星系——都(dou)是(shi)由普通粒(li)子構(gou)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)。這些粒(li)子被統(tong)稱為(wei)物(wu)質，它(ta)們構(gou)成(cheng)(cheng)了4%的(de)(de)(de)(de)宇(yu)宙(zhou)(zhou)。余下的(de)(de)(de)(de)部分(fen)據信由暗(an)物(wu)質——不(bu)(bu)發(fa)光的(de)(de)(de)(de)物(wu)質和(he)暗(an)能量構(gou)成(cheng)(cheng)，它(ta)們對于整個宇(yu)宙(zhou)(zhou)的(de)(de)(de)(de)構(gou)成(cheng)(cheng)與運行(xing)有著極其重要的(de)(de)(de)(de)作用。對它(ta)們進(jin)行(xing)探測和(he)研究的(de)(de)(de)(de)難度(du)不(bu)(bu)可想象。研究暗(an)物(wu)質和(he)暗(an)能量的(de)(de)(de)(de)性質是(shi)當(dang)今粒(li)子物(wu)理學和(he)宇(yu)宙(zhou)(zhou)學面臨的(de)(de)(de)(de)最大(da)挑戰(zhan)之一。
ATLAS和CMS實驗將(jiang)尋找超級對稱的粒(li)子，用于驗證一種與(yu)暗物(wu)質構成有關的假設。
大(da)自然的偏好——為什么(me)找不(bu)到(dao)反(fan)物質？
我們生(sheng)(sheng)(sheng)活(huo)(huo)在(zai)(zai)一(yi)個由(you)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)構成的(de)(de)世(shi)界，宇(yu)(yu)宙(zhou)萬物(wu)(wu)(wu)——包(bao)括(kuo)我們人類在(zai)(zai)內(nei)都是由(you)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)構成的(de)(de)。反物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)就像物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)的(de)(de)一(yi)個孿(luan)生(sheng)(sheng)(sheng)兄弟，但它(ta)卻攜帶相(xiang)反電荷。在(zai)(zai)宇(yu)(yu)宙(zhou)誕生(sheng)(sheng)(sheng)時(shi)，“大(da)爆炸”產生(sheng)(sheng)(sheng)了相(xiang)同數量的(de)(de)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)和反物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)。然而，一(yi)旦(dan)這(zhe)對(dui)孿(luan)生(sheng)(sheng)(sheng)兄弟碰面，它(ta)們就會“同歸于(yu)盡”，并(bing)最(zui)終轉換成能量。不(bu)知何故，少量物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)幸存(cun)下(xia)來，并(bing)形成我們現在(zai)(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)活(huo)(huo)的(de)(de)宇(yu)(yu)宙(zhou)，而它(ta)的(de)(de)孿(luan)生(sheng)(sheng)(sheng)兄弟反物(wu)(wu)(wu)質(zhi)(zhi)卻幾乎消(xiao)失(shi)得(de)無(wu)影無(wu)蹤。為什么大(da)自(zi)然不(bu)能一(yi)碗(wan)水端平(ping)，平(ping)等對(dui)待這(zhe)對(dui)孿(luan)生(sheng)(sheng)(sheng)兄弟呢(ni)？
LHCb實驗將(jiang)尋找物質(zhi)(zhi)與反物質(zhi)(zhi)之(zhi)間(jian)的差異，幫助解釋大自然為何如(ru)此偏(pian)向。此前的實驗已經觀察到兩者(zhe)之(zhi)間(jian)的些(xie)許不同，但迄今為止(zhi)的研究發現(xian)還不足以(yi)解釋宇宙中的物質(zhi)(zhi)和暗物質(zhi)(zhi)為何在數量(liang)上呈現(xian)出明顯的不均衡。
“大爆炸”的秘密——物(wu)質在宇宙誕(dan)生后(hou)的第一(yi)秒呈什么狀態？
構(gou)(gou)成(cheng)宇(yu)宙(zhou)萬物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)質(zhi)據(ju)信來源(yuan)于一系列(lie)密集(ji)(ji)而(er)熾熱的(de)(de)(de)(de)(de)(de)基本(ben)粒子。現在(zai)宇(yu)宙(zhou)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)普(pu)通(tong)物(wu)質(zhi)由原子構(gou)(gou)成(cheng)，原子擁有(you)一個由質(zhi)子和中子構(gou)(gou)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)核子，質(zhi)子和中子都是(shi)(shi)被稱(cheng)之為“膠(jiao)子”的(de)(de)(de)(de)(de)(de)其它粒子束(shu)(shu)縛(fu)夸克(ke)形成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。這種(zhong)(zhong)束(shu)(shu)縛(fu)非(fei)常強大(da)，但在(zai)最初的(de)(de)(de)(de)(de)(de)宇(yu)宙(zhou)，由于溫度極高(gao)加(jia)之能量巨大(da)，膠(jiao)子很難將夸克(ke)結合在(zai)一起。也就是(shi)(shi)說(shuo)(shuo)，這種(zhong)(zhong)束(shu)(shu)縛(fu)似乎是(shi)(shi)在(zai)“大(da)爆炸(zha)”發生后的(de)(de)(de)(de)(de)(de)最初幾微秒內形成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，此時的(de)(de)(de)(de)(de)(de)宇(yu)宙(zhou)擁有(you)一個由夸克(ke)和膠(jiao)子構(gou)(gou)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)非(fei)常熾熱而(er)密集(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)混(hun)合物(wu)，也就是(shi)(shi)所說(shuo)(shuo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)“夸克(ke)-膠(jiao)子等離(li)子體”。
ALICE實驗(yan)將利用(yong)大(da)型強(qiang)子(zi)對撞機模擬大(da)爆炸發生后(hou)的(de)原(yuan)始宇宙形態(tai)，分析夸克-膠(jiao)子(zi)等離子(zi)體(ti)的(de)性(xing)質。
隱藏的世界(jie)——空間的額外維度真的存在嗎？
根據愛因(yin)斯坦廣義(yi)相對論，人(ren)類生存的(de)三(san)維(wei)(wei)空間加(jia)上時間軸即構(gou)成(cheng)所謂四維(wei)(wei)時空。后來的(de)理論認為，可能(neng)存在擁有隱藏維(wei)(wei)度的(de)空間。弦理論便暗示(shi)額外的(de)空間維(wei)(wei)度尚未被人(ren)類觀(guan)察(cha)到，它們似(si)乎(hu)會在高能(neng)條件下顯現出(chu)來。基于這種推測，科學(xue)家(jia)將對所有探(tan)測器獲得的(de)數據進行仔細分析，以尋找(zhao)額外維(wei)(wei)度存在跡象。
物理(li)學家希望借由加速(su)器對(dui)撞機(ji)來(lai)幫助他(ta)們解(jie)答下(xia)列(lie)的(de)問(wen)題：
標準模型中所流(liu)行(xing)的造(zao)成基(ji)本粒子質量的希格斯機制是真(zhen)實的嗎？
真(zhen)是(shi)如此的話(hua)，希(xi)格斯粒子有(you)多少種，質量又分別(bie)是(shi)多少呢？
當(dang)重(zhong)子的(de)(de)質量被更精確的(de)(de)測量時，標準模型是否仍然成立的(de)(de)？
粒子是否有相對應的(de)超對稱（SUSY）粒子存(cun)在？
為何(he)物質與反物質是不對稱的？
有更高(gao)維度的(de)空(kong)間（Kaluza-Kleintheory,extradimensions）存在(zai)嗎？
我們可以(yi)見到(dao)這(zhe)啟發弦論(lun)的現象嗎？
宇宙有(you)96%的質量(liang)是(shi)天文(wen)學上(shang)無(wu)法觀測(ce)到(dao)的，這些到(dao)底是(shi)什么(me)？
為何萬有(you)引力(li)比起其他三個基本作用(yong)力(li)（電磁(ci)力(li)，強作用(yong)力(li)，弱作用(yong)力(li)）差了這(zhe)么(me)多(duo)個數量級？
重離子對撞機
雖(sui)然LHC的(de)物理實(shi)驗計劃，著重于研究(jiu)質子(zi)對(dui)撞(zhuang)后的(de)現象。然而，短期的(de)如每年(nian)一個(ge)月的(de)重離子(zi)對(dui)撞(zhuang)也(ye)在(zai)實(shi)驗計劃之中。雖(sui)然其他較輕的(de)離子(zi)對(dui)撞(zhuang)實(shi)驗也(ye)是可行的(de)，主要的(de)規劃為鉛離子(zi)的(de)對(dui)撞(zhuang)實(shi)驗。
世界上最大的機器
大(da)型(xing)(xing)強子(zi)對撞機的(de)(de)(de)精確(que)周(zhou)長是(shi)2.6659萬(wan)米，內部(bu)總共(gong)有9300個磁體。大(da)型(xing)(xing)強子(zi)對撞機不僅(jin)是(shi)世(shi)界(jie)上(shang)(shang)最大(da)的(de)(de)(de)粒子(zi)加(jia)速器，而且僅(jin)它(ta)的(de)(de)(de)制冷(leng)分配(pei)系統（cryogenic distribution system）的(de)(de)(de)八分之(zhi)一，就稱得上(shang)(shang)是(shi)世(shi)界(jie)上(shang)(shang)最大(da)的(de)(de)(de)制冷(leng)機。制冷(leng)分配(pei)系統在充滿(man)近60噸(dun)液(ye)態氦，將所有磁體都(dou)冷(leng)卻到零(ling)下(xia)271.3℃（1.9開(kai)氏(shi)度(du)）前，它(ta)將先(xian)利用1.008萬(wan)噸(dun)液(ye)態氮將這些磁體的(de)(de)(de)溫度(du)降低到零(ling)下(xia)193.2℃。
世界上最快的跑道
功率達(da)到最(zui)大時(shi)，數萬億(yi)個質(zhi)子將(jiang)在大型強子對撞機周圍的(de)加速(su)器(qi)環(huan)內以(yi)每秒(miao)1.1245萬次的(de)頻率急(ji)速(su)穿行(xing)，它們的(de)速(su)度是光速(su)的(de)99.9999991%。兩束質(zhi)子束分別以(yi)70000億(yi)電(dian)子伏(fu)特的(de)最(zui)大功率相向而行(xing)，在功率達(da)到140000億(yi)電(dian)子伏(fu)特時(shi)發生碰撞。每秒(miao)總共能發生大約6億(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)些粒子束(shu)在像行(xing)星間(jian)的(de)空間(jian)一樣空蕩的(de)超真空環(huan)境中穿行(xing)。大(da)型(xing)強(qiang)子對撞機(ji)的(de)內壓是10^（-13）（10的(de)負13次方）個大(da)氣壓，比月球上的(de)壓力小10倍。
銀河系最熱點
大(da)型強子對撞機(ji)是一個極(ji)熱(re)和極(ji)冷并存(cun)的機(ji)器。當兩束(shu)質(zhi)子束(shu)相(xiang)撞時，它們將(jiang)在一個極(ji)小的空間(jian)內產生比太陽中心熱(re)10萬倍的高溫(wen)(wen)。與之相(xiang)比，促使超流(liu)體氦(hai)在加速器環(huan)(huan)周圍循環(huan)(huan)的制冷分配系統(tong)，讓大(da)型強子對撞機(ji)保持在零下271.3℃（1.9開(kai)氏度）的超低溫(wen)(wen)環(huan)(huan)境(jing)下，這個溫(wen)(wen)度比外太空的溫(wen)(wen)度還低。
史上最先進的探測器
為了(le)(le)抽(chou)樣(yang)檢查(cha)和(he)記錄每秒多達(da)6億次的質(zhi)子(zi)(zi)相撞(zhuang)結(jie)果，物(wu)理學家和(he)工程師已經(jing)制造了(le)(le)測量粒(li)子(zi)(zi)的精確(que)度(du)是(shi)微米的龐大儀(yi)器。大型強(qiang)子(zi)(zi)對撞(zhuang)機的探測器擁(yong)有先進的電子(zi)(zi)觸(chu)發系(xi)統(tong)，它測量粒(li)子(zi)(zi)經(jing)過時(shi)所用時(shi)間的精確(que)度(du)，大約是(shi)十億分之(zhi)一(yi)秒。這個(ge)觸(chu)發系(xi)統(tong)在確(que)定粒(li)子(zi)(zi)的位置(zhi)時(shi)，精確(que)度(du)可達(da)百萬分之(zhi)一(yi)米。這種令人難以置(zhi)信的快速和(he)精確(que)反應，是(shi)確(que)保一(yi)個(ge)探測器連續層內記錄的粒(li)子(zi)(zi)保持一(yi)致的基礎。
世界最強大計算機系統
記錄大(da)型(xing)(xing)強子(zi)對撞機(ji)進行的(de)每(mei)項大(da)試(shi)驗的(de)數據(ju)，每(mei)年(nian)大(da)約足夠刻10億張雙面(mian)DVD光盤。據(ju)估(gu)計，大(da)型(xing)(xing)強子(zi)對撞機(ji)的(de)壽命是15年(nian)。為了讓世(shi)界各地(di)的(de)數千名科學(xue)家在(zai)未來(lai)15年(nian)內通力合作(zuo)，分析這些數據(ju)，分布在(zai)世(shi)界各地(di)的(de)好幾萬(wan)臺電腦將利用一種被(bei)稱作(zuo)網格的(de)分散式(shi)計算(suan)網（distributed computing network）實施研究工作(zuo)。
世界(jie)各地(di)的(de)數(shu)(shu)千名科學家都(dou)希(xi)望了(le)解(jie)并分(fen)析這(zhe)些(xie)數(shu)(shu)據(ju)。為(wei)了(le)解(jie)決這(zhe)個問題(ti)，目前歐洲粒(li)子(zi)物(wu)理(li)研(yan)(yan)究所（CERN）正(zheng)在建一(yi)個分(fen)散的(de)計(ji)算(suan)和數(shu)(shu)據(ju)儲存設施——大(da)型強子(zi)對(dui)撞機計(ji)算(suan)網格(ge)（LCG）。大(da)型強子(zi)對(dui)撞機實驗產(chan)生的(de)數(shu)(shu)據(ju)，將(jiang)通(tong)過歐洲粒(li)子(zi)物(wu)理(li)研(yan)(yan)究所記錄(lu)在磁(ci)帶進行原始文(wen)件備份后，再分(fen)發到世界(jie)各地(di)。經過初始加(jia)工，這(zhe)種(zhong)數(shu)(shu)據(ju)將(jiang)被傳送到可為(wei)大(da)量數(shu)(shu)據(ju)提供充足儲存空(kong)間(jian)的(de)一(yi)系列(lie)大(da)型計(ji)算(suan)機中心，這(zhe)些(xie)計(ji)算(suan)機中心一(yi)天二十(shi)四小時不(bu)停(ting)地(di)為(wei)大(da)型強子(zi)對(dui)撞機計(ji)算(suan)網格(ge)提供服務。
中(zhong)(zhong)國(guo)臺灣也參(can)與其(qi)中(zhong)(zhong)，負責其(qi)中(zhong)(zhong)兩(liang)項重要(yao)系統的(de)(de)研(yan)發，并處理龐大實(shi)驗數據(ju)(ju)。亞(ya)洲唯一的(de)(de)電腦中(zhong)(zhong)心就設在臺灣的(de)(de)中(zhong)(zhong)研(yan)院(yuan)。這次臺灣約有40名(ming)科學家參(can)與這項國(guo)際實(shi)驗，負責世界上最大與最重的(de)(de)偵(zhen)測器研(yan)發，而且處理龐大實(shi)驗數據(ju)(ju)所倚賴的(de)(de)「網格電腦」就設在臺灣的(de)(de)中(zhong)(zhong)研(yan)院(yuan)。
經過這些計(ji)算機(ji)(ji)中(zhong)心(xin)的(de)處理，其(qi)他設(she)(she)備(bei)(bei)就可(ke)(ke)使用這些數據了(le)，其(qi)他的(de)設(she)(she)備(bei)(bei)每(mei)個(ge)都有一個(ge)或幾個(ge)實施特殊分析(xi)任務的(de)聯合(he)計(ji)算機(ji)(ji)中(zhong)心(xin)組成。當個(ge)科學家(jia)可(ke)(ke)通(tong)過大學部門的(de)局域(yu)網(wang)(wang)或個(ge)人電腦了(le)解這些設(she)(she)備(bei)(bei)，這些人可(ke)(ke)能會經常查看大型強子對撞機(ji)(ji)計(ji)算網(wang)(wang)格。
2014年7月，中國北京高能(neng)物理研究(jiu)所正在籌備一個兩(liang)倍于LHC的環形(xing)粒子(zi)對(dui)撞機(ji)。
中(zhong)國(guo)(guo)將(jiang)要修建的對(dui)(dui)撞機周長達到了52公(gong)里，對(dui)(dui)撞能(neng)(neng)量(liang)高達70 TeV。按計劃，中(zhong)國(guo)(guo)的對(dui)(dui)撞機將(jiang)在初期階(jie)段只針(zhen)對(dui)(dui)電子(zi)，且對(dui)(dui)撞能(neng)(neng)量(liang)僅(jin)有能(neng)(neng)量(liang)240 GeV，而后期則逐漸(jian)開(kai)足馬(ma)力進行質子(zi)對(dui)(dui)撞。
預(yu)計中(zhong)國(guo)的對撞機將在2028年投入(ru)使用(yong)，耗資30億美元(yuan)，目前尚不清楚這(zhe)是(shi)否是(shi)一(yi)個(ge)與國(guo)外同行(xing)攜手進(jin)行(xing)的聯合項目。
你猜(cai)我(wo)猜(cai)不猜(cai)
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