大型强子对撞机是如何工作的

为了试图了解我们的宇宙，包括它是如何运作的以及它的实际结构，科学家们提出了一种叫做标准模型．这个理论试图定义和解释构成宇宙的基本粒子。它结合了爱因斯坦的元素相对论与量子理论．它还涉及宇宙四种基本力中的三种:强核力，弱核力而且电磁力．它并没有解决重力第四种基本力。

标准模型对宇宙做出了一些预测，根据各种实验，其中许多似乎是正确的。但该模型还有其他方面尚未得到证实。其中一种理论粒子叫做希格斯玻色子粒子．

希格斯玻色子可能会回答有关质量的问题。为什么物质有质量?科学家们已经发现了没有质量的粒子，比如中微子．为什么一种粒子有质量而另一种粒子没有质量?科学家们提出了许多观点来解释质量的存在。其中最简单的是希格斯机制。该理论认为，可能存在一种粒子和相应的中介力，可以解释为什么某些粒子具有质量。理论上的粒子从未被观测到，甚至可能不存在。一些科学家希望大型强子对撞机制造的事件也能揭示希格斯玻色子存在的证据。其他人则希望这些事件能提供一些我们还没有考虑到的新信息。

科学家们关于物质的另一个问题是关于宇宙早期条件的。在宇宙的最初时刻，物质和能量是耦合的。就在物质和能量分离之后，物质粒子和反物质彼此湮灭。如果有等量的物质和反物质，这两种粒子就会互相抵消。但幸运的是，宇宙中的物质比反物质多一些。科学家们希望他们能够在大型强子对撞机事件中观察到反物质。这可能有助于我们理解为什么在宇宙开始时，物质和反物质的数量存在微小的差异。

暗物质也可能在大型强子对撞机的研究中发挥重要作用。我们目前对宇宙的理解表明，我们能观测到的物质只占所有必然存在的物质的4%左右。当我们观察星系和其他天体的运动时，我们看到它们的运动表明宇宙中有比我们能探测到的多得多的物质。科学家将这种无法探测到的物质命名为暗物质。可观测物质和暗物质加在一起约占宇宙的25%。剩下的四分之三来自一种叫做暗能量这是一种假想的能量，有助于宇宙的膨胀。科学家们希望他们的实验可以为暗物质和暗能量的存在提供进一步的证据，或者提供支持另一种理论的证据。

这只是粒子物理学的冰山一角冰山,虽然。大型强子对撞机可能会发现一些更奇特、更违反直觉的东西。像什么?在下一节中找到答案。

如果理论粒子、反物质和暗能量还不够独特，一些科学家相信LHC可以发现其他维度的证据。我们习惯了生活在一个四维的世界——三维空间和时间。但一些物理学家认为，可能还有其他我们无法感知的维度。有些理论只有在宇宙中存在更多维度的情况下才有意义。例如，的一个版本弦理论要求存在不少于11个维度。

弦理论学家希望大型强子对撞机能提供证据来支持他们提出的宇宙模型。弦理论指出，宇宙的基本组成部分不是粒子，而是弦。字符串可以是开放的，也可以是封闭的。它们也可以振动，类似于吉他弦在拨动时的振动。不同的振动使弦看起来是不同的东西。单向振动的弦会表现为电子。另一种以另一种方式振动的弦就是中微子。

一些科学家批评弦理论，说没有证据支持这个理论本身。弦理论将引力纳入了标准模型——这是科学家们在没有附加理论的情况下无法做到的。它与爱因斯坦的一般理论相一致相对论与量子场论．但仍然没有证据证明这些弦的存在。它们太小了，无法观测到，目前还没有办法对它们进行测试。这导致一些科学家将弦理论视为哲学而非科学。

弦理论家希望大型强子对撞机能改变批评家们的想法。他们正在寻找超对称．根据标准模型，每个粒子都有一个反粒子。例如，电子的反粒子(带负电荷的粒子)是a正电子．超对称性提出粒子也有搭档这些国家也有自己的对应国家。这意味着每个粒子都有三个反粒子。虽然我们还没有在自然界中看到这些超级伴侣的任何迹象，但理论家们希望LHC能够证明它们确实存在。超粒子或许可以解释这一点暗物质或者帮助将重力纳入整体标准模型。

大型强子对撞机有多大?它将使用多少电力?建造它花了多少钱?在下一节中找到答案。

的大型强子对撞机是一个巨大而强大的机器。它由八个部分组成行业．每一个扇区都是一个弧，在每一端都被一个称为弧的截面所包围插入．LHC的周长约为27公里(16.8英里)。加速器管和碰撞室位于地下100米(328英尺)处。科学家和工程师可以通过电梯和楼梯沿着大型强子对撞机周围的几个点进入机器所在的服务隧道。欧洲核子研究中心是在地面上建造结构，科学家可以在那里收集和分析LHC产生的数据。

LHC使用磁铁引导质子束以99.99%的速度运动光．磁铁非常大，许多重达数吨。LHC中大约有9600块磁铁。磁铁被冷却到1.9开尔文(-271.25摄氏度或-456.25华氏度)。这比外太空的真空还要冷。

说到真空，大型强子对撞机内的质子束穿过欧洲核子研究中心所谓的“超高真空”管道。制造这种真空的原因是为了避免引入质子在到达适当的碰撞点之前可能发生碰撞的粒子。即使是一个气体分子也可能导致实验失败。

沿着大型强子对撞机的圆周有六个区域，工程师们可以在那里进行实验。把每一个区域都当成一个显微镜带着数码相机。其中一些显微镜非常巨大——ATLAS实验装置长45米(147.6英尺)，高25米(82英尺)，重7000吨(5443公吨)[来源:阿特拉斯］．

大型强子对撞机和与之相连的实验包含大约1.5亿个传感器。这些传感器将收集数据并将其发送到各种计算系统。据CERN称，实验期间收集的数据量约为每秒700兆字节(MB/s)。这意味着LHC每年将收集大约15pb的数据。一拍字节就是一百万gb。这些数据可以填满10万张dvd[来源:欧洲核子研究中心］．

运行大型强子对撞机需要很多能量。欧洲核子研究中心估计，对撞机的年耗电量约为80万兆瓦时(MWh)。它本来可以更高，但该设施在冬季不会运行。据欧洲核子研究中心称，所有这些能源的价格将高达1900万欧元。这相当于每年3000万美元电该设施的建造费用超过60亿美元[来源:欧洲核子研究中心)！

实验过程中到底发生了什么?请继续阅读，找出答案。

LHC背后的原理非常简单。首先，你沿两条路径发射两束粒子，一束顺时针，另一束逆时针。你把两束光都加速到接近光．然后，你将两束光束相互引导，观察会发生什么。

实现这一目标所需的设备要复杂得多。大型强子对撞机只是整体的一部分欧洲核子研究中心粒子加速器设备。在质子之前离子进入大型强子对撞机，他们已经经历了一系列的步骤。

让我们来看看质子在LHC过程中的寿命。首先，科学家必须从氢中剥离电子原子产生质子。然后，质子进入LINAC2这台机器将质子束发射到一个名为“加速器”的加速器中PS助推器．这些机器使用一种叫做射频腔来加速质子。空腔中含有广播高频电将质子束推向更高速度的场。巨大的磁铁产生必要的磁场使质子束保持在轨道上。在汽车方面，可以把射频腔想象成加速器，磁铁想象成方向盘

一旦质子束达到正确的能量水平，PS助推器就会将其注入另一个名为超级质子同步加速器(SPS)．光束继续加速。此时，横梁已分成束．每束包含1.1 x 10¹¹质子，每束有2808束[来源:欧洲核子研究中心］．SPS将光束注入大型强子对撞机，一束沿顺时针方向运动，另一束沿逆时针方向运动。

在大型强子对撞机内部，粒子束继续加速。这大约需要20分钟。在最高速度下，粒子束每秒绕大型强子对撞机运行11245圈。两束光束在沿大型强子对撞机放置的六个探测器点中的一个会合。在那个位置，每秒将会有6亿次碰撞[来源:欧洲核子研究中心］．

当两个质子碰撞时，它们会分裂成更小的粒子。这包括亚原子粒子夸克一种减轻压力的力量叫做胶子．夸克非常不稳定，在几分之一秒内就会衰变。探测器通过跟踪亚原子粒子的路径来收集信息。然后探测器将数据发送到一个网格电脑系统。

不是每个质子都会与另一个质子碰撞。即使有像大型强子对撞机这样先进的机器，也不可能控制小到质子的粒子束，使每个粒子都能相互碰撞。未能碰撞的质子将继续在束流中进入束流倾倒段。在那里，由石墨制成的部分将吸收光束。如果大型强子对撞机内部出现问题，光束倾倒部分能够吸收光束。要了解更多粒子加速器背后的机制，请看原子加速器是如何工作的．

大型强子对撞机的周长有六个探测器。这些探测器做什么?它们是如何工作的?在下一节中找到答案。

沿着大型强子对撞机圆周的六个区域将收集数据并进行实验，它们被简单地称为探测器。他们中的一些人会搜索同样的信息，尽管方式不同。有四个主要的探测点和两个较小的探测点。

探测器被称为环形大型强子对撞机ATLAS是其中最大的一个。它长46米(150.9英尺)，高25米(82英尺)，宽25米。它的核心是一个叫做“内部跟踪器”的设备。内部跟踪器检测并分析通过ATLAS探测器的粒子的动量。围绕着内部跟踪器是一个量热计．量热计通过吸收粒子来测量粒子的能量。科学家们可以观察粒子的运动轨迹，并推断出有关它们的信息。

ATLAS探测器也有一个μ介子谱仪．μ子是一种负电荷粒子，其质量是电子的200倍。μ子可以不停地穿过量热计——它是唯一一种能做到这一点的粒子。光谱仪用带电粒子传感器测量每个μ子的动量。这些传感器可以检测ATLAS探测器的波动磁字段。

的紧凑型介子螺线管(CMS)是另一个大型探测器。与ATLAS探测器一样，CMS是一种通用探测器，将探测和测量碰撞过程中释放的亚粒子。探测器在一个巨大的电磁磁铁内部，可以产生比地球磁场强近10万倍的磁场地球的磁场[来源:CMS］．

还有ALICE，意思是大型离子对撞机实验．工程师们设计了ALICE来研究铁离子之间的碰撞。科学家们希望通过高能碰撞铁离子，重现宇宙大爆炸后的环境。他们希望看到离子分解成夸克和胶子的混合物。ALICE的一个主要组成部分是时间投影室(TPC)，它将检查和重建粒子轨迹。与ATLAS和CMS探测器一样，ALICE也有一个μ子光谱仪。

接下来是大型强子对撞机美(LHCb)探测器位置。LHCb的目的是寻找反物质存在的证据。它通过寻找一种叫做美夸克．碰撞点周围的一系列子探测器长达20米(65.6英尺)。探测器可以以微小而精确的方式移动来捕捉美夸克粒子，这种粒子非常不稳定，而且会迅速衰变。

的弹性和衍射截面测量(TOTEM)实验是大型强子对撞机中两个较小的探测器之一。它将测量质子和大型强子对撞机的大小光度．在粒子物理学中，光度指的是粒子加速器产生碰撞的精确程度。

最后，还有大型强子对撞机向前(LHCf)探测器位置。这个实验在受控环境中模拟宇宙射线。该实验的目标是帮助科学家想出方法来设计广域实验，以研究自然发生的宇宙射线碰撞。

每个探测点都有一个研究团队，从几十到一千多名科学家不等。在某些情况下，这些科学家将搜索相同的信息。对他们来说，这是一场在物理学中做出下一个革命性发现的竞赛。

科学家们将如何处理这些探测器收集到的所有数据?下一节将详细介绍。

大型强子对撞机探测器每年收集15拍字节(即15,000,000千兆字节)的数据，科学家们面临着艰巨的任务。你怎么处理这么多信息?你怎么知道你在这么大的数据集中看到的是重要的东西呢?即使使用超级计算机，处理这么多信息也需要数千小时。与此同时，大型强子对撞机将继续积累更多的数据。

欧洲核子研究中心对这个问题的解决方案是大型强子对撞机计算网格．网格是一种网络电脑，每一个都可以单独分析一大块数据。一旦计算机完成分析，它就可以将结果发送到中央计算机，并接受新的数据块。只要科学家们能把数据分成几块，这个系统就能很好地工作。在计算机行业中，这种方法被称为网格计算．

欧洲核子研究中心的科学家们决定专注于使用相对便宜的设备来进行计算。而不是购买尖端数据服务器而且处理器在美国，欧洲核子研究中心专注于能够在网络中良好工作的现成硬件。他们的方法和战略非常相似谷歌雇佣了。购买大量的普通硬件比购买一些先进的设备更划算。

使用一种特殊的软件叫做midware在美国，计算机网络将能够存储和分析LHC进行的每一个实验的数据。系统的结构被组织成层:

任何Tier 2站点都可以访问任何Tier 1站点。这样做的原因是让研究机构和大学有机会专注于特定的信息和研究。

如此庞大的网络面临的一个挑战是数据安全。欧洲核子研究中心认为这个网络不能依赖防火墙因为系统上的数据流量很大。相反，系统依赖于识别而且授权防止未经授权访问LHC数据的程序。

有人说，担心数据安全是一个有争议的问题。那是因为他们认为大型强子对撞机最终会毁灭整个世界。

这真的可能吗?在下一节中找到答案。

大型强子对撞机将使科学家能够在远高于以往任何实验的能量水平上观察粒子碰撞。一些人担心这种强烈的反应会给地球造成严重的麻烦地球．事实上，一些人非常担心，他们对欧洲核子研究中心提起诉讼，试图推迟LHC的启动。2008年3月，前核安全官员沃尔特·瓦格纳(Walter Wagner)和路易斯·桑丘(Luis Sancho)率先向夏威夷地区法院提起诉讼。他们声称大型强子对撞机可能会毁灭世界[来源:微软全国有线广播电视公司］．

他们的担忧基于什么?大型强子对撞机能创造出我们所知的终结所有生命的东西吗?到底会发生什么?

一种担忧是大型强子对撞机可能产生黑洞．黑洞是物质坍缩成一个密度无穷大的点的区域。欧洲核子研究中心的科学家承认，大型强子对撞机可以产生黑洞，但他们也表示，这些黑洞将处于亚原子规模，几乎会立即坍塌。相比之下，天文学家研究的黑洞是由整个恒星自身坍缩形成的。恒星的质量和质子的质量有很大的不同。

另一个担忧是大型强子对撞机将产生一种奇异的(到目前为止是假设的)物质叫做奇异物质．奇异子的一个可能特征尤其令人担忧。宇宙学家推论奇异子可能拥有强大的引力可能会让他们把整个星球变成一艘没有生命的废船。

大型强子对撞机(LHC)的科学家们用多个对立点驳斥了这种担忧。首先，他们指出奇异子是假设的。没有人在宇宙中观测到这种物质。第二，他们说电磁这种物质周围的磁场会排斥正常物质，而不是把它变成别的东西。第三，他们说，即使这种物质存在，它也非常不稳定，几乎会在瞬间衰变。第四，科学家说高能宇宙射线应该自然地产生这种物质。因为地球还在，他们认为奇异子不是问题。

LHC可能产生的另一种理论粒子是磁单极子．根据P.A.M.狄拉克的理论，磁单极子是一种含有一个磁荷(北或南)而不是两个磁荷的粒子。瓦格纳和桑丘提到的担忧是，这些粒子可能会用它们不对称的磁荷把物质拉开。欧洲核子研究中心科学家不同意这种说法，他们说，如果存在单极子，就没有理由担心这种粒子会造成这样的破坏。事实上，至少有一组研究人员正在积极寻找单极子存在的证据，并希望大型强子对撞机能找到一些。

关于大型强子对撞机的其他担忧包括对辐射的担忧，以及它将产生地球上最高能量的粒子碰撞。欧洲核子研究中心表示，大型强子对撞机非常安全，它有厚厚的屏蔽层，上面有100米(328英尺)厚的土。此外，实验过程中人员不得进入地下。至于对碰撞的担忧，科学家们指出，高能宇宙射线碰撞在自然界中随时都在发生。射线与太阳，月亮还有其他行星，它们都还在，没有任何受损的迹象。使用大型强子对撞机，这些碰撞将在受控环境中发生。否则，真的没有区别。

大型强子对撞机能成功地加深我们对宇宙的认识吗?收集到的数据会带来更多的问题而不是答案吗?如果过去的实验有任何迹象，那么这两个问题的答案可能都是肯定的。

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