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大型強子對撞機
來源:互聯網

大型強子對撞機(英文名:Large Hadron Collider),簡稱LHC,是由歐洲核子研究組織(CERN)建造的一種粒子加速設備,截至2024年,大型強子對撞機是世界上最大、能量最高的粒子加速器,目的是利用超高能量的強子(質子-質子和重離子-重離子)進行對撞,開展物質結構深層次的研究。

大型強子對撞機坐落于日內瓦附近歐洲核子研究中心(CERN)瑞士法國的交界侏羅山地下100米深,總長17英里(含環形隧道)的隧道內。大型強子對撞機(LHC)由探測器、環、束流清潔器、超導磁鐵、束流傳輸線等構成,裝置中有9593根超導四氧化三鐵(其中最長的一種磁鐵有15米長,共1232根),兩束以接近光速相反運行的質子束流在這些磁鐵的引導下,在超環面譜儀(ATLAS)、大型強子對撞機底夸克探測器(LHCb)、緊湊繆子螺線管磁譜儀(CMS)和大型離子對撞機實驗器(ALICE)四個大型探測器中實現對撞。大型強子對撞機的每一項探測成果,都將交給超級計算機網絡處理,所有新發現的粒子都要經過這種嚴格的檢驗與分析。

大型強子對撞機原計劃于2008年正式運行,在2008年9月10日進行了第一次測試運行,但因設備故障延遲。它于2009年11月20日重啟,2009年11月23日,大型強子對撞機進行了在修復完成后的第一次試撞。第一次碰撞是在2010年實現的,每束能量為3.5太電子伏特,質心能量為7太電子伏特。經過40多年的探索,2012年,希格斯玻色子被日內瓦的歐洲核子中心(CERN)的一個大型加速器——大型強子對撞機(LHC)證實存在。2013年關閉后,大型強子對撞機進行了為期2年的維護和升級。到2015年重啟時,這臺粒子加速器運行能量已兩倍于關閉前的能量。2019年,歐洲核子研究組織(CERN)關閉了大型強子對撞機,并進行維護和升級。2022年4月,大型強子對撞機(LHC)歷經3年的維護和升級后再度重啟。

大型強子對撞機的目標是讓物理學家測試不同粒子物理理論的預測,包括測量希格斯玻色子的性質,?尋找超對稱理論預測的新粒子大家族,以及研究粒子物理中其他未解決的問題。

名稱由來

大型強子對撞機(LHC)全稱為Large Hadron Collider,世界上最強大的粒子加速器?!癓arge”是指它的大小,其全長長約27公里;“Hadron”是指它加速質子或離子,它們屬于稱為強子的粒子組;“Collider”,指對撞機。

其中強子是一種由夸克和膠子構成的粒子,膠子是一種傳遞強相互作用基本粒子,正是由于核子間存在強相互作用力,質子、中子才能結合為原子核。強子可以被分為介子和重子,分別是由奇數個夸克(通常是三個夸克)組成的重子和由偶數個夸克(通常是兩個夸克:一個夸克和一個反夸克)組成的介子推

對撞機是一種兩束或以上人工產生粒子在同一空間以相反方向相互碰撞產生次級束供探測,從而進行高能物理或核物理研究的大型裝置,可根據粒子束種類分類。如強子加速器加速的粒子束為強子。

大型強子對撞機(LHC)由歐洲核子研究組織(CERN)在容納大型電子-正電子對撞機(LEP)的27公里隧道中建造。目的是利用超高能量的強子(質子-質子和重離子-重離子)進行對撞,開展物質結構深層次的研究。

歷史

建設

20世紀80年代,在大型輕子對撞機(LEP)設計和建造時,CERN就開始考慮強子對撞機的計劃,并開展了物理需求和加速器技術的研究。1994年12月16日,CERN各成員國投票批準了在LEP隧道里建造LHC的計劃。

1995年10月LHC概念設計完成,從1996~1998年,LHC上的四個實驗,即ALICE、ATLAS、CMS和LHCb和其他實驗的計劃先后得以批準,并著手建設。

經過10多年的建設,LHC終于于2008年9月10日開始注入質子束束流。同年9月19日在對LHC的兩個區段的超導偏轉磁鐵進行勵磁時,由于偏轉磁鐵和聚焦磁鐵之間的超導連接線故障,造成磁鐵損壞、大量液氦從低溫系統流入隧道,運行被迫停止。經過一年多的維修和改進,2009年11月20日束流再次注入LHC。

經費支出

2016年,楊振寧在和王貽芳關于大型對撞機的公開討論中認為歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機LHC耗資100億美元,對撞機的建造成本是無底洞。

運行

運行測試(2008年)

2008年9月10日,歐洲核子中心的大型強子對撞機(LHC)正式運行,世界上能量最大的、長達27千米的粒子加速器成功地發射出第一束質子射線。LHC項目負責人埃萬斯(Lyn Evans)說,“這是一個奇妙的時刻,現在,我們正期待著一個認識宇宙的起源和演變的新紀元?!?/p>

同月,大型強子對撞機在剛啟動9天后的一次運行中,即發生過一次嚴重的液氦泄漏事故。連接所有9千多根超導四氧化三鐵需要五萬多個接點,由于其中一個接點接觸不良,以至于在超導高電流的情況下發生熔毀,這造成了冷卻液管道破損,因此大量液態氦泄露,形成了重大事故。經過14個月的修復和加固后,對撞機于2009年11月重新啟動并安全運行。

第一次運行(2010年-2013年)

2010年3月30日在LHC中首次實現能量為3.5太電子伏的兩邊束質子對撞,質心能量為7太電子伏。2012年5月4日,LHC中質子對撞的質心能量達到8太電子伏。兩個月后,2012年7月4日,LHC上工作的ATLAS和CMS實驗組公布了尋找希格斯粒子的結果,所觀測到的粉子的質量為125~126吉電子伏。經過近兩年的停機檢修和改進,2015年6月3日LHC開始在質心系13吉電子伏的能量下工作。隨著對撞機性能的改進,對撞亮度逐步提高,超過了其設計指標1×1034/(厘米2·秒)。

2012年,在全球上萬名科學家和工程師多年的努力下,希格斯玻色子被科學家利用日內瓦的歐洲核子中心(CERN)的一個大型加速器——大型強子對撞機(LHC)發現。物理學家與世界上最大的原子粉碎機——歐洲的大型強子對撞機(LHC)——合作,當他們報告說他們發現了一個粒子時,引起了轟動,這個粒子似乎是人們尋找已久的希格斯玻色子,這是他們標準粒子和力模型中最后一個缺失的部分。這些研究人員報告說,該粒子確實具有標準模型希格斯玻色子的基本預測特性,從而確定了這一特性。

2013年關閉后,大型強子對撞機進行了為期2年的維護和升級。到2015年重啟時,這臺粒子加速器運行能量已兩倍于關閉前的能量。

第二次運行(2015年到2019年)

2015年4月5日,在經歷兩年停機維護、加固升級及數月重啟準備后,歐洲大型強子對撞機當天正式開啟第二階段運行。

2019年,歐洲核子研究組織(CERN)關閉了大型強子對撞機,進行維修升級,提高儀器的靈敏度,使其更好地完成任務。2019年8月,高亮度大型強子對撞機升級工作啟動,亮度計劃提升5到10倍。

第三次運行(2022年)

2022年4月22日,大型強子對撞機(LHC)歷經3年的維護和升級后再度重啟,兩束注入能量450GeV的質子束在27公里長隧道內發射。2022年7月,LHC成功啟動第三輪運行,以創紀錄的13.6太電子伏特的能量進行了質子—質子碰撞。

同年,大型強子對撞機(LHC)上的底夸克探測器(LHCb)合作組發現了新的奇特粒子結構,包括一種首次發現的五夸克態粒子和有史以來觀察到的第一對四夸克態粒子。理論學家在數十年前已同時預測到傳統的強子和奇特強子態的存在,然而直到最近20年,科學家才通過大型強子對撞機的底夸克探測器及其他實驗觀察到四夸克態或五夸克態奇特強子。

裝置結構

大型強子對撞機(LHC)建造在日內瓦附近的歐洲核子研究中心(CERN)。LHC的周長約27千米,約四分之三在法國境內,四分之一在瑞士境內,因當地地形的緣故位于地下50至150米之間,加速器的造價約50億瑞士法郎。LHC可以把兩束質子加速到7太電子伏并進行對撞,質心系能量達14太電子伏。在LHC的對撞區安裝了超環面儀器(ATLAS)、緊湊u子線圈(CMS)、底夸克探測器(LHCb)和大型離子對撞探測器(ALICE),四個各有特點又相互補充的大型探測器以及兩個小型的探測器TOTEM和LHCf。有來自世界100多個國家、數百個研究機構的上萬名科學家在LHC上開展合作研究。

地下部分

探測器部分

LHC包括4個大型探測器對這些碰撞進行觀測,它們分別被稱為ALICE、ATLAS、CMS和LHCb。緊湊繆子螺線管磁譜儀(CMS)是一個長28.7米,直徑15米,水平放置的圓柱形粒子探測器,總重量12500噸。這是歐洲核子研究中心大型強子對撞機(LHC)的四個大型探測器之一。這四個大型探測器包含在一個周長27公里的環形隧道中,貫穿瑞士法國邊境。其他三個大型探測器分別是超環面譜儀(ATLAS)、大型強子對撞機底夸克探測器(LHCb)和大型離子對撞機實驗器(ALICE)。

世界上最孤獨的鯨魚

ALICE實驗位于LHC法國艾因境內地下60米處。ALICE實驗的主要目標是描述夸克膠子等離子體(QGP)的物理性質,這是一種在核碰撞中的極端溫度和能量密度條件下產生的物質狀態。

ATLAS

ATLAS(環形LHC裝置)是LHC上最大的通用粒子探測器實驗,位于瑞士的歐洲核子研究中心(CERN)。該實驗旨在利用LHC上前所未有的能量,觀察涉及早期低能加速器無法觀測到的高質量粒子的現象。ATLAS是2012年7月發現希格斯玻色子的兩個大型強子對撞機實驗之一。它還被設計用來尋找超越標準模型的粒子物理理論證據。

CMS

“緊湊繆子螺線管磁譜儀”(CMS)是在位于LHC在瑞士和法國建造的兩個大型通用粒子物理探測器之一。CMS實驗的目標是研究物理學,包括尋找希格斯玻色子、額外維度和可能構成暗物質的粒子。

首先在地面上分塊建造了約10年,CMS由11大塊組成,這其中的每塊質量都有上千噸,每塊都包含成千上萬個部件。從江南造船租來的專用吊車將這些大塊通過直徑15米多的龐大垂直工作井,送抵深達100米的探測器地下大廳,然后再進行拼裝。LHC建在地下深處可以讓高能粒子束流運行和對撞產生的對人體有害的輻射被100米厚的土層吸收,這比在地面上在機器外圍建造27公里長的很厚的“水泥桶”把機器保護起來更安全高效。其次,根據法、瑞有關法律,地表的財產(如土地、樹林、河流和房屋等)有可能是私有的,但地下深處的土地則屬于公有。在地下100米開建,從成本上考慮遠比在地面買地建造要劃算。

LHCb

LHCb實驗坐落在法國伏爾泰鎮附近地下100米處。LHCb實驗旨在探索大爆炸后發生了什么,能夠允許物質生存,并建立我們今天居住的宇宙

其他部分

環及環上的真空泵

大型強子對撞機的核心是環,貫穿LEP隧道的圓周;這個環的直徑只有幾厘米,被抽真空到比深空更高的程度,并被冷卻到絕對零度兩度以內。在這個環中,兩束反向旋轉的重離子或質子被加速到光速的百萬分之一以內的速度。(質子屬于一類被稱為強子的重亞原子粒子,它解釋了這種粒子加速器的名稱。在環上的四個點上,光束可以相交,一小部分粒子相互碰撞。在最大功率下,質子之間的碰撞將以高達13TeV的總能量發生,大約是以前實現的七倍。在每個碰撞點都有重達數萬噸的巨大磁鐵和一組探測器,用于收集碰撞產生的顆粒。

LHC有兩個相同的環,其中準圓形軌道由8個弧段和連接它們的直線段組成。在每個弧區安放了154臺偏轉磁鐵和周期性排列的聚焦磁鐵及校正磁鐵,把束流限制在軌道中心附近。在LHC中共有約9600塊各種類型的磁鐵,其中有1232塊每塊長15米的超導偏轉磁鐵和392塊長度為5~7米的超導聚焦磁鐵。它們工作在王1.9開的低溫下,在7太電子伏時的主導磁場為8.33特。在LHC中兩束質子或重離子在27千米的環形真空室里以接近光速的速度相目向運動,并在四個對撞點交叉對撞。

分布在LHC的儲存環上數以千計的真空泵,可把總容積約6500立方米的真空室內抽到10-1大氣壓的超高真空。在真空盒上安裝了各種各樣的探頭,可以自動、準確、快速地測量束流的位置、強度和截面等參量,提供工作人員分析和控制。每個環上各安裝了8臺工作頻率為400兆赫的超導高頻加速腔,放置在兩個4.5開的低溫恒溫器里,可以提供2兆伏的加速電壓。束團在LHC里以接近光速運動,每秒鐘旋轉11245圈,每轉一圈就在高頻腔里得到一次加速,并補充由于同步輻射引起的能量損失。

束流清潔器

大型強子對撞機(LHC)中有9593根超導四氧化三鐵(其中最長的一種磁鐵有15米長,共1232根)構成,兩束以接近光速相反運行的質子束流在這些磁鐵的引導下,在上述四個大型探測器中實現對撞。儀器隨時監控記錄對撞數據,供科學家們分析使用。

這近9600根磁鐵要在-271.2攝氏度的低溫環境下,才能正常工作。為了達到這個接近宇宙低溫極限(-273.15攝氏度,即所謂絕對零度)的溫度,科學家們要使用大量的液態氮和液態氦。每次降溫的過程,需要約130噸的液態氦,這個用量差不多是全世界液氦年產量的1%。

在加速過程中,所有磁鐵磁場也按能量的增加同步提高,使束流始終保持在真空盒的中心附近。為避免在東流運行過程中由于對撞和其他原因引起的粒子丟失而造成超導磁鐵的失超,在LHC上安放了各兩組束流清潔器,把束流邊緣的粒子擋掉。如果整個束流發生不穩定,安放在環上的快沖擊四氧化三鐵就會立即起動,把束流偏轉到束流垃圾桶里。LHC的設備都通過計算機和接口設備進行控制,運行人員可以在中央控制室對加速器上的各種設備進行操作。

地面部分

地面部分有計算分析網絡、加速器控制裝置以及其他的設備如通風設備等,加速器的所有控制裝置、其服務和技術基礎設施都位于歐洲核子研究中心控制中心的某個設施內。2008年10月,歐洲核子中心宣布作為迄今最大規模的分布式運算網絡,全球LHC計算網格正式啟動,它將為設在歐洲的大型強子對撞機提供強大的數據運算支持。歐洲核子研究中心稱,這個運算網共包括分布在全球33個國家和地區的140多個計算中心,參與運算的科研人員將多達7000名,每年可分析和管理大型強子對撞機數據超過1500萬G。

未來會有專門的光纖網絡把大型強子對撞機的數據從日內瓦首先傳輸到位于歐洲、北美和亞洲的11個大型的“第一梯隊”運算中心。然后數據再從這11個“節點”進一步分派到全世界各地超過140個“第二梯隊”運算中心。美國在這個運算網的建設和運行中發揮關鍵作用,全美共有15所大學和3個能源部下屬的國家實驗室參與其中。借助分布式運算網絡,科學家們可以最大限度地利用分布在各處的計算資源,把服務器、存儲系統和網絡聯合在一起,形成超強的運算能力。

相關原理

粒子加速器相關原理

粒子加速器是在真空中通過磁場電場分別控制軌道和加速產生高速或高能帶電粒子的裝置。可將電子、質子和重離子等粒子加速到所要求的能量,相應的速度范圍可從幾千米每秒、幾萬米每秒直至接近光速。

加速器中粒子束的能量單位,用電子伏表示,即一個電子電荷通過一伏特的電壓所獲得的能量。它是用人工方法將電子、質子和重離子等帶電粒子加速到特定能量。加速粒子的能量常用電子伏特、千電子伏特、兆電子伏特、吉電子伏特和太電子伏特等表示。粒子加速器廣泛應用于科學研究、工農業生產、醫療衛生和國防建設等領域。

粒子加速器自1930年前后誕生以來,發展了多種類型的加速器。按照加速粒子分類,有電子加速器、質子加速器和重離子加速器;按照粒子運動軌道分類,有直線加速器、圓形加速器(包括回旋加速器、同步回旋加速器等)、環形加速器(又稱同步加速器);按照加速電場分類,有高壓加速器、感應加速器和高顏加速器;按照關鍵部件材料工作溫度分類,有常溫加速器和超導加速器;按照加速粒子消失形式分類,有靜止靶加速器和對撞機等。從上述諸多分類中,可組合出多種特定的加速器,如超導高頻質子直線加速器、正負電子環形對撞機等。

標準模型

20世紀90年代,物理學家才基本確定了基本粒子家族的成員,包括輕子(如電子、中微子、μ子等)和夸克,以及能夠傳遞作用力的信使粒子(如傳遞電磁力的光子、傳遞強力的膠子等)。這便是所謂的“標準模型”(Standard Model)。

在粒子物理學里,標準模型是一種被廣泛接受的框架,可以描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子。除了引力以外,標準模型可以合理解釋這世界中的大多數物理現象。

早期的標準模型所倚賴的規范場論闡明,基本力是源自于規范不變性,是由規范玻色子來傳遞。規范場論嚴格規定,規范玻色子必須不帶有質量,因此,傳遞電磁相互作用的規范玻色子(光子)不帶有質量。光子的質量的確經實驗證實為零。借此類推,傳遞弱相互作用的規范玻色子(W玻色子、Z玻色子)應該不帶有質量,可是實驗證實W玻色子與Z玻色子的質量不為零,這顯示出早期模型不夠完善,因此需要建立特別機制來賦予W玻色子、Z玻色子它們所帶有的質量。

現行主流的粒子物理標準模型給出了十七種最小的基本粒子,分別是六種夸克、六種輕子、傳遞電磁相互作用的光子、傳遞強相互作用的膠子、傳遞弱相互作用的兩種粒子、賦予粒子裸質量的希格斯玻色子。隨著2013年大型強子對撞機(LHC)正式宣布發現希格斯玻色子,這十七種最小粒子都得到了實驗驗證,并且在現階段大家都普遍接受它們是不可再分的最小的基本粒子。標準模型已經統一了強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用。還有一種粒子叫引力子,負責傳遞引力,目前尚僅存在于理論中,還沒有被實驗證實。

工作過程

為了實現兩束質子達最終能量后對撞,LHC使用了CERN幾乎所有的加速器。質子和重離子是在離子源中產生的。在質子源中,氫原子中的一個電子在電磁場的作用下被剝離后得到帶一個正電荷的質子。質子束被送到一臺直線加速器(LINAC2)中,加速到50兆電子伏。

這時質子束的運動速度約為光速c的31%(0.31c),再通過束流傳輸線注入同步增強器 (PSB)中,在其中能量和速度分別達到1.4吉電子伏和0.92c。質子束從PSB中引出后,又注入質子同步加速器(PS)中,并加速到26吉電子伏的能量。這時質子的速度已接近光速(0.96c),在加速器里的加速主要是增加束流的能量。最后超級質子同步加速器(SPS)把來自PS的質子束流能量提升到450吉電子伏(0.9999998c),并從兩個位置引出,通過兩條束流傳輸線送到LHC的兩個環中,注入、加速和對撞。當加速到7太電子伏時,質子束的速度已經達到0.99999999c。重離子的情況與質子類似。所不同的是重離子來自另一臺離子源,并在直線加速器(LINAC3)中加速,再送到一臺低能量離子環(LEIR)中加速,以后的加速路徑與質子相同。

LHC可以把來自SPS的兩束鉛離子從每核子0.177太電子伏加速到每個核子2.76太電子伏的高能量,并進行對撞。束流在LHC里大約需要20分鐘才能加速到工作能量7太電子伏。加速過程結束后,還要對聚焦磁鐵磁場做一些調整,以便把對撞點的束流截面調得更小,最后還要調整束流軌道,使兩束粒子在對撞點的軌道從注入和加速階段分開的狀態,改變為對撞狀態。這時安放在LHC的探測器就開始工作,獲取數據,開展高能物理實驗。束流在LHC里要連續對撞10小時以上,再重新注入,重復以上過程。

LHC也可以用來加速對撞重離子,例如鉛(Pb)離子可加速到1150 TeV。由于LHC有著對工程技術上極端的挑戰,安全上的確保是極其重要的。當LHC開始運作時,四氧化三鐵中的總能量高達100億焦耳(GJ),而粒子束中的總能量也高達725百萬焦耳(MJ)。

科學目標與作用

LHC是一臺高能量前沿的加速器,旨在利用超高能量的強子(質子-質子和重離子-重離子)對撞,開展物質結構深層次的研究,發現新現象,研究新物理,其主要的科學目標有:探索質量的起源,尋找希格斯粒子;探尋超對稱粒子;探索暗物質;研究反物質,解釋宇宙中的物質和暗物質不均衡之謎;重現并研究宇宙產生早期的現象。

LHC致力于研究質量的本質。希格斯玻色子是現代粒子物理學標準模型理論中最后一種尚未被發現的粒子,它的存在是整個標準模型的基石。早在1964年,蘇格蘭物理學家彼得·希格斯(Peter Higgs)便首次預言存在這種粒子,但迄今為止,科學家仍未見過它的廬山真面目。

LHC致力于尋找暗物質和暗能量。我們在宇宙中看到的一切是由普通粒子構成的。這些粒子被統稱為物質,它們構成了4%的宇宙。余下的部分據信由暗物質和暗能量構成,對它們進行探測和研究的難度非常大。

LHC致力于研究物質和反物質的差異。反物質是攜帶相反電荷的物質。在宇宙誕生時,“大爆炸”產生了相同數量的物質和反物質。通過演變,少量物質留存下來形成宇宙,而反物質卻幾乎消失得無影無蹤。

LHC致力于尋找物質在宇宙誕生后的最初狀態。宇宙中的普通物質由原子構成,原子擁有一個由質子和中子構成的核子,質子和中子都是被稱之為“膠子”的其它粒子束縛夸克形成的。在“大爆炸”發生后的最初幾微秒,宇宙擁有一個由夸克和膠子構成的“夸克-膠子等離子體”。利用大型強子對撞機模擬大爆炸發生后的原始宇宙形態,分析夸克-膠子等離子體的性質。

LHC致力于尋找空間的額外維度。根據阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論,人類生存的三維空間加上時間軸即構成所謂四維時空。后來的理論認為,可能存在擁有隱藏維度的空間。弦理論認為額外的空間維度只能在高能條件下顯現出來。科學家將對所有探測器獲得的數據進行仔細分析,以尋找額外維度存在跡象。

研究成果

早期研究成果

自2009年LHC開始實驗運行以來,取得了一系列重要的物理成果。其中最主要的是在2012年發現希格斯粒子。比利時物理學家F.恩格勒特和英國物理學家P.希格斯因提出粒子質量來源的機制,其預言的基本粒子希格斯玻色子在LHC實驗中發現見,而榮獲2013年諾貝爾物理學獎。同年12月15日,研究人員報告了LHC的第一個物理結果,涉及ALICE探測器中發生的284次碰撞。

2010年2月,CMS實驗公布了第一次質子碰撞的結果。

2010年后的研究與發展

2011年5月24日,LHC中產生了夸克-膠子等離子體。同年7月至8月,在Grenoble和孟買的會議上,ATLAS和CMS以95%的置信度(使用奔馳CLS級方法)排除了在145和466 GeV之間的大部分質量區域存在一個具有標準模型所預測特性的希格斯玻色子。

2011年12月13日,CERN報告稱,標準模型希格斯玻色子(如果存在)很可能質量限制在115–130 GeV范圍內。CMS和ATLAS探測器也顯示了124–125GeV范圍內的強度峰值,與背景噪聲或希格斯玻色子的觀測一致。

2012年7月4日,CMS和ATLAS團隊宣布在質量區域發現一個玻色子,大約125–126個GeV,滿足了宣布新粒子所需的正式級別。同年11月8日,LHCb小組報告了一項被視為物理學超對稱理論“黃金”測試的實驗。

2013年3月14日,CERN宣布確認所觀測到的粒子確實是預測的希格斯玻色子。同年8月,LHCb團隊在B介子衰變產物的角度分布中發現了一個標準模型無法預測的異?,F象。

2014年11月19日,LHCb實驗宣布發現了兩個新的重亞原子粒子。同年4月4日,合作方確認了四夸克候選Z(4430)的存在。

2015年后的研究及發展

在2015年7月召開的EPS-HEP會議上,這兩項合作首次提出了幾個粒子在較高碰撞能量下的橫截面測量結果。同年12月15日,ATLAS和CMS實驗均報告了使用13 TeV質子碰撞數據進行的希格斯物理、超對稱性(SUSY)搜索和外星搜索的一些初步結果。

2016年6月28日,這項合作宣布四夸克粒子衰變為J/ψ 和一個φ 介子。同年12月,ATLAS對W玻色子質量進行了測量,研究了在Tevatron進行精度分析。

2017年7月,根據2016年收集的大型數據集進行了許多分析。希格斯玻色子的性質得到了更詳細的研究,許多其他結果的精度也得到了提高。截至2021年3月,大型強子對撞機實驗在前兩次運行期間收集的數據中發現了59個新強子。

2022年10月,大型強子對撞機(LHC)緊湊渺子線圈(CMS)國際合作組在最新一期《自然·物理學》雜志上撰文指出,他們對希格斯玻色子的質量分布——“寬度”作了迄今最精確測量:3.2兆電子伏特。

2023年,科學家們在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(LHC)上發現了一種新粒子,其被稱為“奇異的五夸克”。相關論文刊發于2023年7月出版的《物理評論快報》雜志。

2025年5月7日,歐洲核子研究中心(CERN)在《物理評論雜志》撰文指出,該組織科學家利用大型強子對撞機首次把鉛(82個質子)轉變成金(79個質子)。

建設意義

目前,人類對宇宙的認識是遠遠不夠的,現有的理論根本無法匹配我們所觀測到的宇宙。因此,物理學家一直在努力,希望能夠找到新粒子。發現新粒子主要有兩種途徑,一種方式是提高大型強子對撞機中質子的對撞能量。能量的提高就可能產生更重的粒子。第二種方式就是增加對撞次數,就可能獲取更多的探測數據。通過對海量數據的分析,從中尋找任何罕見新粒子的微弱信號。

大型強子對撞機同時在嘗試這兩種方式,在提高能量的前提下,不斷增加對撞實驗次數。不過,科學家也不清楚答案究竟會在哪里,或者究竟哪一種新粒子的出現能夠回答各種理論中的未解之謎。他們希望通過檢測宇宙的任何構件的每一方面,最終能夠找到答案所在。

相關爭議

2020年,歐洲核子研究中心(CERN)計劃建造的新對撞機叫做“未來環形對撞機”(Future Circular Collider,FCC),其長度將是LHC(27公里)的近4倍,比北京五環還略長,預計耗資至少210億歐元(約合人民幣1660億元)。

但是由于花費巨大,在開始建造新對撞機之前,CERN將不得不尋求從成員國之外獲得資金支持。CERN建造FCC的一個重要目的是研究被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子,正是這種粒子賦予了物體的質量。而對撞能量更高的FCC將用于制造大量的希格斯玻色子,更精確地研究它們如何衰變,這是過去LHC無法實現的。一些理論認為希格斯粒子可能會衰變成暗物質粒子,暗物質粒子的性質是現代物理學的核心問題之一。在解決希格斯玻色子的問題后,科學家希望FCC能解決基礎物理學中的其他問題,例如超對稱假說。

但是這些想法也存在爭議。盡管建造FCC的前景誘人,但是有科學家質疑210億歐元造價是否物有所值,這臺超級對撞機能否達到預期的效果。德國法蘭克福高等研究院的理論物理學家Sabine Hossenfelder認為,除了測量已知粒子的性質之外,是否有其他回報還無法保證,一味追求高能量不可取。

一直支持在中國建造大型對撞機的中國科學院星院士、中科院高能物理研究所所長王貽芳就對此表示支持:“我認為這當然是正確的方向。CERN的決定證實我們的選擇是正確的?!?/p>

大型對撞機引發爭議的直接原因是投資巨大,根據王貽芳的文章,第一階段的正負電子對撞機(CEPC)約在2022-2030年間,工程造價(不包括土地、“七通一平”等)約400億元。如果第一階段成功且有所發現,第二階段的質子對撞機(SPPC)將啟動,工程造價在1000億元以內,時間是在2040-2050年左右。幾百、上千億元量級的投資在基礎研究項目中也是難以想象的。

高能粒子碰撞實驗的安全性

高能粒子對撞實驗的安全性問題在大型強子對撞機(LHC)建設和承擔任務期間受到了廣泛關注和議論。公眾擔心用于制造新的粒子和物質形態的高能可能會產生有害的物質狀態甚至導致全球災難危機。在LHC即將投入運行的2008年至2010年間,有關其安全性的爭論更為激烈。其中涉及到的風險包括產生穩定的微型黑洞或是制造出假定存在的奇異夸克團,這些問題受到了傳統媒體、互聯網以至法院的關注。

為了回應對于LHC的擔憂,歐洲核子研究中心(CERN)委托了一批獨立科學家來評估風險,在2003年發表的報告中,他們總結道,目前研究粒子問題的相關實驗,例如LHC中的粒子碰撞,不會產生任何威脅。

升級計劃

LHC主要有三方面的升級計劃。第一,亮度提高計劃(HL-LHC)。計劃將LHC的峰值對撞亮度提高到5×1034/(厘米2·秒),年積分亮度達到250fb-1。第二,電子-強子對撞計劃(LHeC)。這個計劃需增加一個能量為60吉電子伏的電子加速器,產生的電子束與 LHC中的強子束進行對撞。第三,高能量LHC計劃(高爆彈LHC)。計劃將主導磁場提高到15~20特,質子-質子對撞的質心能量255~ 33太電子伏,重離子-重離子對撞的能量也相應提高。HIL-LHC計劃已獲批準,正加緊實施,預期在2023年完成。LHeC和HE LHC仍在方案研究階段,能否實施取決于經費和技術可行性等詞者方面的因素。

2020年,歐洲核子研究中心(CERN)批準一份新文件:計劃在日內瓦地下隧道中建造一個長達100公里的圓形超級對撞機,以推動高能物理學的前沿研究。計劃建造的新對撞機叫做“未來環形對撞機”(Future Circular Collider,FCC),其長度將是LHC(27公里)的近4倍,比北京五環還略長,預計耗資至少210億歐元(約合人民幣1660億元)。

2026年,高亮度LHC項目預計正式開始運行,其亮度將比LHC提升5到10倍,從而大大提升LHC的性能。據CERN官網介紹,2013年,高亮度LHC項目被歐洲粒子物理戰略列為首要優先項目。按照目前CERN的預算,從2015年到2026年期間,高亮度LHC的設備預算是9.5億瑞士法郎,折合人民幣約67億元。

中國參與

目前,已有60余名中國科學家參與了LHC實驗,其中近四十人為臺灣科學家。其中,LHC的四個主要實驗均有中國科研單位和高校參與,分別為:中科院高能物理研究所、中國科技大學、山東大學、南京大學參與ATLAS實驗;中科院高能物理研究所、北京大學參與CMS實驗;華中師范大學參與ALICE實驗;清華大學參與LHCb實驗。中國科學家團隊還在大型強子對撞機希格斯粒子性質研究中發揮了重要作用。在國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目“大型強子對撞機CMS、ATLAS和ALICE實驗物理研究”的支持下,中科院高能物理研究所陳和生團隊深度參與了大型強子對撞機(LHC)上3個主要實驗-CMS、ATLAS和ALICE-的國際組工作。項目團隊成員擔任CMS希格斯聯合分析及性質組召集人,負責組織希格斯粒子相關的聯合物理分析,并在大部分數據分析工作中發揮了領導作用。

中國科學院高能物理研究所的計算中心還建立了LHC數據分析的網絡平臺,有2500個CPU,加入全球LHC的實驗數據分析網絡,為中國物理學家和世界各國的物理學家服務。實驗期間,中國每年派出一批科學家和研究生到CERN 參加LHC值班取數,分析數據,另外,中國科學家也可以在國內通過網絡獲取CERN的數據,在國內編寫數據分析程序,通過網絡把作業交到CERN,利用CERN 強大的計算能力,進行分析,通過網絡獲得分析結果。高能所的CMS合作組通過定期的視頻交流參與合作。中國通過多種方式促進了LHC相關工作交流,2020年11月清華大學舉辦了第六屆中國LHC物理會議。會議旨在促進實驗工作者和理論工作者在與LHC有關的物理問題上進行卓有成效的合作。

參考資料 >

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歐洲核子中心地下迷宮長什么樣?跟記者一起來看看吧.人民網.2023-12-20

王貽芳院士:掌握這關鍵的3點,就能很好地欣賞科學.微信公眾平臺.2023-11-06

New results indicate that new particle is a Higgs boson.cern.2023-11-23

那只揣著懷表的古怪白兔又出現了,還搞了件大事….微信公眾平臺.2023-12-20

大型強子對撞機再次重啟探索“第五種自然力”.新浪財經.2023-12-20

看清“上帝粒子”真面目:重現宇宙開端景象.微信公眾平臺.2023-11-30

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較真物理學名詞:量子物理中的微觀粒子.微信公眾平臺.2023-12-07

新的奇特粒子結構被發現.中國科學院.2023-12-07

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“這對啊,這對是史上最難異地戀。”.微信公眾平臺.2023-12-07

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理論物理所等在全粲四夸克態研究中獲進展.中國科學院.2023-12-08

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中國該不該斥資數百億元建造大型對撞機,得回答這四個問題.澎湃新聞.2024-03-12

Just a moment....science.2023-11-23

歐洲大型強子對撞機正式重啟.人民政協網.2023-12-20

· 歐洲大型強子對撞機開啟新運行.人民網.2023-12-20

磁鐵玩具玩遍了?這個大家伙也許你沒見過.微信公眾平臺.2023-12-20

國際大科學計劃和大科學工程介紹系列—大型強子對撞機(LHC)(2)工程簡介.中國核技術網.2023-12-20

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LHC Season 2.home.cern.2024-03-04

世界最大規模“網格計算”網絡啟動.中國互聯網協會.2024-02-27

粒子加速器.中國大百科全書.2024-03-04

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揭秘“上帝粒子”:為何它與萬有引力、進化論、DNA雙螺旋結構一樣重要 | 直播預告.微信公眾平臺.2023-11-08

新物理,真的要來了嗎? | “W粒子質量” VS “標準模型”.微信公眾平臺.2023-12-20

地球會漏氣嗎?| No.331.微信公眾平臺.2023-11-08

新浪:大型強子對撞機專題.tech.sina.com.cn.2019-07-24

磁單極子是否存在.微信公眾平臺.2023-12-20

希格斯玻色子質量分布獲迄今最精確測量.中國科學院.2024-03-12

大型強子對撞機發現新奇異五夸克粒子.中國科學院.2024-03-12

科學網—物理學家實現點鉛成金.科學網.2025-05-14

歐洲批準最強粒子對撞機計劃,造價210億歐元,耗資引爭議.澎湃新聞.2024-02-27

爭鳴丨王貽芳:中國建造大型對撞機,今天正是時機.微信公眾平臺.2024-03-12

TWISTS IN THE DOOMSDAY DEBATE.archive.2024-03-04

Twists in the Doomsday debate.cosmic.2024-03-04

Study of Potentially Dangerous Events During Heavy-Ion Collisions at the LHC.CERN.2024-03-04

歐洲大型強子對撞機“強勢升級”,亮度提升5到10倍.澎湃新聞.2024-02-27

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