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欧洲强子对撞机介绍!(欧洲留学)

2019-11-12 1966 返回列表

什么是强子对撞机?大型强子对撞机是粒子物理科学家为了探索新的粒子,和微观量化粒子的‘新物理’机制设备,是一种将质子加速对撞的高能物理设备,英文名称为lhc(large hadron collider)。

欧洲大型强子对撞机是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器。大型强子对撞机坐落于日内瓦附近瑞士和法国的交界侏罗山地下100米深,总长17英里(含环形隧道)的隧道内。2008年9月10日,对撞机初次启动进行测试。

2019年8月1日,大型强子对撞机(lhc)的下一代“继任者”——高亮度大型强子对撞机项目的升级工作正在进行,亮度将提升5到10倍。

欧洲强子对撞机

欧洲大型强子对撞机过程及目的:

大型强子对撞器,英文名称为lhc(large hadron collider)是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织cern的粒子加速器与对撞机,作为国际高能物理学研究之用。地理坐标为北纬46°14′00″,东经6°03′00″46.23;6.05, lhc已经建造完成。

大型强子对撞机将是世界上最大、能量最高的粒子加速器,来自大约80个国家的7000名科学家和工程师。由40个国家建造。是一种将质子加速对撞的高能物理设备。它是一个圆形加速器,深埋于地下100米,它的环状隧道有 27 公里长,坐落于在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心(又名欧洲粒子物理实验室),横跨法国和瑞士的边境。

为了节省成本,物理学家们没有开凿一条昂贵的新隧道来容纳新的对撞机,而是决定拆掉原来安置在欧洲原子核研究中心的正负电子加速器,代之以建造大型强子对撞机所需要的5万吨设备。当两个质子束在环形隧道中沿着反方向运动的时候,强大的电场使它们的能量急剧增加。这些粒子每运行一圈,就会获得更多的能量。要保持如此高能量的质子束继续运行需要非常强大的磁场。这么强的磁场是由冷却到接近绝对零度的超导电磁体产生的。物理学家们最希望建造的是一个30公里长的机器,它能以至少5千亿电子伏的能量将电子和正电子一起粉碎。 目前;对撞机已经发现了‘希格斯粒子希格斯玻色子的存在,升级后发现‘夸克奇异重子’五种夸克的‘味变’集合体存在,改造升级能量的加大还会‘探索发现’超对称粒子和希格斯耦合粒子与粒子的额外维相存在。

欧洲强子对撞机设备结构

lhc是一个国际合作的计划,由34个国家超过两千位物理学家所属的大学与实验室所共同出资合作兴建的。

lhc包含了一个圆周为27公里的圆形隧道,因当地地形的缘故位于地下50至150米之间。这是先前大型电子正子加速器(lep)所使用隧道的再利用,隧道本身直径三米,位于同一平面上,并贯穿瑞士与法国边境,主要的部分大半位于法国。虽然隧道本身位于地底下,尚有许多地面设施如冷却压缩机,通风设备,控制电机设备,还有冷冻槽等等建构于其上。

加速器通道中,主要是放置两个质子束管。加速管由超导磁铁所包覆,以液态氦来冷却。管中的质子是以相反的方向,环绕着整个环型加速器运行。除此之外,在四个实验碰撞点附近,另有安装其他的偏向磁铁及聚焦磁铁。

lhc加速环的四个碰撞点,分别设有五个侦测器在碰撞点的地穴中。其中超环面仪器 (atlas)与紧凑渺子线圈(cms)是通用型的粒子侦测器。其他三个(lhc底夸克侦测器(lhcb),大型离子对撞器(alice)以及全截面弹性散射侦测器(totem)则是较小型的特殊目标侦测器。

欧洲强子对撞机技术原理

大型强子对撞机(lhc)是欧洲粒子物理研究所(cern)的加速器复合体的最新补充。

在这个加速器里面,2束高能粒子流在彼此相撞之前,以接近光速的速度向前传播。这两束粒子流分别通过不同光束管,向相反方向传播,这两根管子都处于超高真空状态。一个强磁场促使它们围绕那个加速环运行,这个强磁场是利用超导电磁石获得的。这些超导电磁石是利用特殊电缆线制成的,它们在超导状态下进行操作,有效传导电流,没有电阻消耗或能量损失。要达到这种结果,大约需要将磁体冷却到零下271℃,这个温度比外太空的温度还低。由于这个原因,大部分加速器都与一个液态氦分流系统和其他设备相连,这个液态氦分流系统是用来冷却磁体的。

大型强子对撞机利用数千个种类不同,型号各异的磁体,给该加速器周围的粒子束指引方向。这些磁体中包括15米长的1232双极磁体和392四极磁体,1232双极磁体被用来弯曲粒子束,392四极磁体每个都有5到7米长,它们被用来集中粒子流。在碰撞之前,大型强子对撞机利用另一种类型的磁体“挤压”粒子,让它们彼此靠的更近,以增加它们成功相撞的机会。这些粒子非常小,让它们相撞,就如同让从相距10公里的两地发射出来的两根针相撞一样。

这个加速器、它的仪器和技术方面的基础设施的操作器,都安装在欧洲粒子物理研究所控制中心的同一座建筑内。在这里,大型强子对撞机内的粒子流将在加速器环周围的4个区域相撞,这4个区域与粒子探测器的位置相对应。

欧洲强子对撞机工作流程

两个对撞加速管中的质子,各具有的能量为 7 tev (兆兆电子伏特),总撞击能量达 14 tev之谱。每个质子环绕整个储存环的时间为 89 微秒(microsecond)。因为同步加速器的特性,加速管中的粒子是以粒子团(bunch)的形式,而非连续的粒子流。整个储存环将会有2800个粒子团,最短碰撞周期为 25 纳秒(nanosecond)。在加速器开始运作的初期,将会以轨道中放入较少的粒子团的方式运作,碰撞周期为 75 纳秒,再逐步提升到设计目标。

在粒子入射到主加速环之前,会先经过一系列加速设施,逐级提升能量。其中,由两个直线加速器所构成的质子同步加速器 ps)将产生50 mev的能量,接着质子同步推进器 (psb)提升能量到1.4gev。而质子同步加速环可达到26 gev的能量。低能量入射环(leir)为一离子储存与冷却的装置。反物质减速器 (ad)可以将3.57 gev的反质子,减速到2 gev。最后超级质子同步加速器(sps)可提升质子的能量到450 gev。

lhc也可以用来加速对撞重离子,例如铅(pb)离子可加速到1150 tev。由于lhc有着对工程技术上极端的挑战,安全上的确保是极其重要的。当lhc开始运作时,磁铁中的总能量高达100亿焦耳(gj),而粒子束中的总能量也高达725百万焦耳(mj)。只需要10-7总粒子能量便可以使超导磁铁脱离超导态,而丢弃全部的加速粒子可相当于一个小型的爆炸。

欧洲强子对撞机创始人物

林恩·埃文斯(lyn evans),欧洲大型强子对撞机的领导者。是威尔士一位矿工的儿子,在阿布戴尔(aberdare)中学时就对科学萌发了兴趣,获得了英国斯旺西大学的物理学博士学位。

1969年,他花3个月时间访问了欧洲核子物理研究组织(cern)项目。从此,他和妻子以及家人就定居在这里。65岁的威尔士人林恩·埃文斯大概可以算得上是这个世界上对“爆炸”最执着的人了。从小就爱用各种化学物质捣鼓点小爆炸的他,长大后又对宇宙大爆炸产生了兴趣。

为了模拟宇宙大爆炸,解开宇宙之谜,他一手“策划”了堪称世界上最大科学实验的欧洲大型强子对撞机(lhc)项目。从设计,建造,到实验,埃文斯已经一路伴随这个项目走过了近16个年头。5个月前正式从欧洲核子研究中心(cern)退休后,埃文斯渐渐放慢了工作节奏,但他依然没有离开lhc项目。尽管不再担任项目负责人,他在cms(紧凑缪子线圈)实验小组中仍然担任着重要工作。


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