2009年11月22日 星期日

The Large Hadron Collider (LHC)

The Large Hadron Collider (LHC) is the world's largest and highest-energy particle accelerator, intended to collide opposing particle beams of either protons at an energy of 7 TeV per particle or lead nuclei at an energy of 574 TeV per nucleus. It is expected that it will address the most fundamental questions of physics, which seem to block further progress in understanding the deepest laws of nature. The LHC lies in a tunnel 27 kilometres (17 mi) in circumference, as much as 175 metres (570 ft) beneath the Franco-Swiss border near Geneva, Switzerland. It is the world's largest machine.[1]

LHC是在一個圓周為27公里的圓形隧道內，該隧道因當地地形的起伏而位於地下約50至150公尺之間。[1] 這是先前大型電子正子加速器（LEP）所使用隧道的再利用。隧道本身直徑三公尺，位於同一平面上，並貫穿瑞士與法國邊境，主要的部份大半位於法國。雖然隧道本身位於地底下，尚有許多地面設施如冷卻壓縮機，通風設備，控制電機設備，還有冷凍槽等等建構於其上。

加速器通道中，主要是放置兩個質子束管。由於須維持前所未有高能量的粒子運行，加速管由超導磁鐵所包覆，以液態氦來冷卻。管中的質子是以相反的方向，環繞著整個環型加速器運行。除此之外，在四個實驗碰撞點附近，另有安裝其他的二極偏向磁鐵及四極聚焦磁鐵。

兩個對撞加速管中的質子，初步將以 5 TeV（Tera Electron Volt, 兆電子伏特）的能量對撞，總撞擊能量達10 TeV之多。（設計目標為14 TeV）每個質子環繞整個儲存環的時間為89 微秒 。因為同步加速器的特性，加速管中的粒子是以粒子團（bunch）的形式，而非連續的粒子流。整個儲存環將會有2800個粒子團，最短碰撞週期為25奈秒 。在加速器開始運作的初期，將會以軌道中放入較少的粒子團的方式運作，碰撞週期為 75 奈秒，再逐步提升到設計目標。

在粒子入射到主加速環之前，會先經過一系列加速設施，逐級提升能量。其中，由兩個直線加速器所構成的質子同步加速器（PS）將產生50 MeV的能量，接著質子同步推進器（PSB）提升能量到1.4GeV。而質子同步加速環可達到26 GeV的能量。低能量入射環（LEIR）為一離子儲存與冷卻的裝置。反物質減速器（AD）可以將3.57 GeV的反質子，減速到2 GeV。最後超級質子同步加速器（SPS）可提升質子的能量到450 GeV。

在LHC加速環的四個碰撞點，分別設有五個偵測器在碰撞點的地穴中。其中超環面儀器（ATLAS）與緊湊渺子線圈（CMS）是通用型的粒子偵測器。其他三個（LHC底夸克偵測器（LHCb）, 大型離子對撞器（ALICE）以及全截面彈性散射偵測器（TOTEM）則是較小型的特殊目標偵測器。

LHC也可以用來加速對撞 重離子，例如 鉛（Pb）離子因其荷質比(電荷和質量的比值)可加速到1150 TeV。

由於LHC有著對工程技術上極端的挑戰，安全的確保是極其重要的。當LHC開始運作時，磁鐵中的總能量高達100億焦耳（GJ），而粒子束中的總能量也高達725百萬焦耳（MJ）。只需要10−7總粒子能量便可以使超導磁鐵脫離超導態，而丟棄全部加速器中的粒子可相當於一個小型的爆炸。

[編輯] 研究主題

一張描述LHC如何產生希格斯玻色子的費曼圖。在圖中，兩個夸克各放射出一個W 及 Z 玻色子，進而融合成一個希格斯玻色子。
在CMS偵測器中希格斯玻色子衰變的模擬事例重建圖。(event display)

物理學家希望藉由加速器對撞機來幫助他們解答下列的問題：

[編輯] 重離子對撞機

雖然LHC的物理實驗計劃，著重於研究質子對撞後的現象。然而，如每年一個月的短期重離子對撞也在實驗計劃之中。雖然其他較輕的離子對撞實驗也是可行的，目前主要的規劃為鉛離子的對撞實驗。[3]

[編輯] LHC升級計劃

有提議在十年內 LHC 需要提昇一次硬體性能。[4] 認為 LHC 需要作基本上硬體的修改以提升它的「亮度」（單位截面碰撞發生的頻率）。理想中 LHC 升級的途徑將是包含增加粒子束的流量，以及修改兩個需要高亮度的區域： ATLAS 與 CMS 這兩個偵測器來配合。下一代超大型強子對撞器的入射能量需增加到 1 TeV，因此前置入射裝置也需升級，特別是「超級質子同步加速器」的部份。

[編輯] 經費支出

LHC的建造經費最初是1995年通過的一筆26億瑞朗， 另有一筆兩億一千萬元瑞朗的經費作為實驗之用。然而，經費超支。在2001年的一次主要審核預期，將需增加四億八千萬元瑞朗在加速器的建造，與五千萬元瑞 朗的支出在實驗運作上。同時，由於CERN年度預算的縮減，LHC的完工日期由2005年延後到2007年四月，以使用更多年度預算來支付。[5] 其中增加的一億八千萬元瑞朗，用於超導磁鐵的製造。另外，尚有在興建放置CMS的地下洞穴時遇到的工程技術上的困難。[6] 預期的建造總額約為八十億元美金。

[編輯] LHC@Home

主條目：LHC@home

LHC@Home 是一個 分散式計算 的計劃，用來支持LHC興建與校正之用。這個計劃是使用 BOINC 平台，來模擬粒子如何在加速器隧道中運行。有了這項資訊，科學家便可以決定如何放置磁鐵與調整功率，來達到加速軌道運行的穩定。

[編輯] 安全顧慮

在美國 RHIC 開始實驗之時，包括內部的研究者與其他外部的一些科學家，曾擔心類似的實驗可能會引發理論上的一些災難，甚至摧毀地球或是整個宇宙：

RHIC 與 CERN 都進行了一些研究調查，檢視是否有可能產生例如微黑洞、微小的奇異物質（奇異微子）或是磁單極等危險的事件。[8]這份報告認為「我們找不到任何可以證實的危害」。例如，除非某個未經證實的理論是對的，否則是不可能產生出微小黑洞的。即使真有微黑洞產生了，預期會透過霍金輻射的 機制，很快就會蒸發消失，所以會是無害的。而像 LHC 這樣高能量的加速器的安全性，最有力的論點在於一個簡單的事實：宇宙射線的能量比起 LHC 來要高出非常多數量級，太陽系星體從形成到現在這麼多年下來，都不斷地被宇宙射線轟擊。既沒有產生出微黑洞、微小的奇異物質或是磁單極，太陽、地球和月球 也都沒有因此被摧毀。

然而，仍有一些人還是對 LHC 的安全性有疑慮：類似這樣新的、未經測試過的實驗，是沒有辦法完全保證上述的情況不會發生。約翰·尼爾森（John Nelson）在伯明罕大學談到RHIC說「這是非常不可能會有危害的──但是我無法百分之百保證。」[9] 另外在學術界，對於霍金輻射是否正確，也有一些疑問。[10]

RHIC 自2000年運行到現在，都沒有產生可以摧毀地球的物質的跡象。

[編輯] 建設意外與延遲

2005年10月25日，因為起重機載貨的意外掉落，造成一位技術人員的喪生。 [11][12]

2007年3月27日，由費米實驗室所 負責建造，一個用於 LHC 內部的三極低溫超導磁鐵（屬於聚焦用四極磁鐵），因為支撐架的設計不良，在壓力測試時發生破損。雖然沒有造成人員的傷亡，但是卻嚴重影響了 LHC 開始運作的時程。費米實驗室主任皮耶·奧登（Pier Oddone）說道：「在這個案例中，我們驚訝地發現到，一個簡單的靜力平衡被疏忽了。」這個錯誤存在原始的設計中，而且經過多年來數次的審核都沒有發 現。[13] 分析發現，為了縮小支撐架的粗細來達成束流管更佳的絕緣效果，卻因此不足以支撐壓力測試時，所施加的外力。詳細的內容可見於費米實驗室的對外說明，CERN 也同意其內容。[14][15] 修復損壞的磁鐵，並且補強八個同型的磁鐵造成了 LHC 預計開始運行的時程，[16] 因此延遲到2007年11月。

2008年9月19日，LHC 第三與第四段之間，冷卻超導磁鐵用的液態氦發生了嚴重的洩漏，佔總量約1/3的高達6噸液態氦洩漏到隧道中。目前據推測是由於費米實驗室負責建造的超導體 磁鐵，在聯接兩個的連接匯流排(bus bar)焊接不良，在超導高電流的情況下產生了熱量使得超導體脫離超導態，電流經過瞬間的高電阻形成了電弧打 穿了冷卻設備的液態氦儲存槽所造成的。依據CERN的安全條例，必需將磁鐵升回到室溫後詳細檢查才能繼續運轉，這將需要三到四週的時間。要再冷卻回運作溫 度，也是得經過三四週的時間，如此即使直接替換掉損壞的元件不進行補強作業，也還是正好遇上預定的年度歲修時程，因此要開始運作將至少可能延遲至2009年春天。[17]

2008年10月16日，CERN發佈了關於液態氦洩漏事件的調查分析，証實了先前推測的為兩超導磁鐵間焊接點不良所造成的。由於安全條例確實地實行、安全設計皆有正常工作、並且替換用的零件都有庫存，依目前CERN於2008年12月5日公佈的時程，LHC將於2009年夏天開始恢復運轉。[18] [19]

根據2009年4月30日 CERN 的最新公報[20]，LHC 最後的一段維修偏向磁鐵完成放置回隧道當中，自2008年9月19日洩漏事件以來毀損的磁鐵維修作業終於告一段落。接下來的工作，將專注於完成磁鐵間的連結工作以及預防未來類似洩漏事件的加強監控與補強作業[21]。 在此次的維修作業中，LHC 第三第四段間共有53個磁鐵被替換掉。其中有16個損傷不大的磁鐵，是以良品維修(refurbish)的方式來處理，而另外37個損壞較嚴重的部份，則 是直接由備品替換。這些替換下來的磁鐵，將在維修之後作為將來的備品料件使用。目前 LHC 管理部門所規劃的時程，仍依照2009年2月9日 CERN 所公佈的，將於九月底啟動運轉，並預計十月開始對撞實驗[22]。

[編輯] 關聯項目

LHC的緊湊渺子線圈（CMS）偵測器

[編輯] 參考

  1. ^ Symmetry magazine, 2005年四月號
  2. ^ 「......在粒子物理學引發的公開演講中，我們聽到太多關於LHC或是直線加速器(ILC)的目標，都是在於檢視標準模型中，最後一個仍未見著的粒子：希格斯粒子，這個今日的聖盃。事實不應是如此的無趣！我們嘗試提出的，是個更令人感興趣的疑問：我們是否能夠接受一個缺少希格斯機制的世界？這未嘗不是一件令人興奮的事？」－Chris Quigg，Nature's Greatest Puzzles。
  3. ^ Ions for LHC
  4. ^ PDF presentation of proposed LHC upgrade
  5. ^ LHC Cost Review to Completion, CERN 2001
  6. ^ Toni Feder．CERN Grapples with LHC Cost Hike．於2006年6月12日查閱．
  7. ^ Dimopoulos, S. and Landsberg, G. Black Holes at the Large Hadron Collider. Phys. Rev. Lett. 87 (2001).
  8. ^ Blaizot, J.-P. et al. Study of Potentially Dangerous Events During Heavy-Ion Collisions at the LHC. (PDF)
  9. ^ Jonathan Leake:Big Bang machine could destroy Earth, Sunday Times
  10. ^ Adam D. Helfer: General Relativity and Quantum Cosmology
  11. ^ http://cosmicvariance.com/2005/10/25/tragedy-at-cern/
  12. ^ http://user.web.cern.ch/user/QuickLinks/Announcements/2005/Accident.html
  13. ^ Fermilab'Dumbfounded'by fiasco that broke magnet．
  14. ^ LHC Magnet Test Failure．
  15. ^ Updates on LHC inner triplet failure．
  16. ^ The God Particle．www.bbc.com．於2007年5月22日查閱．
  17. ^ Incident in LHC section 3-4 (CERN公報)．www.cern.ch．於2008年9月20日查閱．
  18. ^ CERN releases analysis of LHC incident (CERN公報)．www.cern.ch．於2008年10月16日查閱．
  19. ^ LHC to restart in 2009 (CERN公報)．www.cern.ch．於2009年1月28日查閱．
  20. ^ Final LHC magnet goes underground (CERN公報)．www.cern.ch．於2009年5月3日查閱．
  21. ^ After Repairs, Summer Start-Up Planned for Collider (紐約時報報導)．www.nytimes.com．於2009年5月3日查閱．
  22. ^ CERN management confirms new LHC restart schedule(CERN公報)．www.cern.ch．於2009年5月3日查閱．

[編輯] 外部連結

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維基共享資源中相關的多媒體資源：
大型強子對撞器

[編輯] 參考文獻



停機14個月 大型強子對撞器重新啟動
瑞士日內瓦「歐洲核子研究組織」管制中心的科學家，二十日慶祝全球最大粒子加速器「大型強子對撞器」（ＬＨＣ）重新運轉。（法新社）

〔編譯羅彥傑／綜合二十日外電報導〕歷經十四個月的修復，造價百億美元的全球最大粒子加速器「大型強子對撞器」（ＬＨＣ），二十日晚間首度恢復運轉，預計明年就會進行首次高能粒子對撞。

全球最大粒子加速器

ＬＨＣ 坐落在瑞士與法國交界，一個長達二十七公里的環形地下隧道內，以接近絕對零度（攝氏零下二百七十一度）的低溫運作，比外太空還冷。它能使以接近光速運行的 兩束質子束在環形地下隧道的四具偵測器內迎面對撞，偵測撞出來的更小粒子。科學家希望藉此找出理論上存在的「希格斯粒子」，及模擬一百三十七億年前宇宙誕 生的大爆炸後最初情況。

不料去年九月十日首次發射質子束繞行ＬＨＣ後九天，就因為設備問題導致機件發生一連串損害。瑞士日內瓦的「歐洲核子研究組織」（ＣＥＲＮ）耗資四千萬美元修復與改良ＬＨＣ，以避免重蹈覆轍。

為進行可能自明年一月展開的新科學實驗，ＣＥＲＮ逐步推動ＬＨＣ的重新啟動。發言人吉里斯表示，二十日的ＬＨＣ重啟作業進展要比預期更快，提早約九小時，首次的質子束繞行是在當地時間晚間十時左右，以順時鐘方向繞行。約兩小時後，科學家讓另一道質子束以相反方向繞行。

微型黑洞帶來世界末日？

吉里斯說，此次重啟乃是ＬＨＣ邁向科學發現之路的重要里程碑。他強調，ＬＨＣ一週後將進行低能量相撞，明年進行高能對撞。去年實驗展開前，曾有人擔心將製造出微型黑洞，帶來世界末日。
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