大型強子對撞器
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 大型強子對撞器 (LHC) 所包含的子實驗與 各級子加速器 |
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| LHC 子實驗 | |
| -{ATLAS}- | 超環面儀器 (A Toroidal LHC ApparatuS) |
| -{CMS}- | 緊湊渺子線圈 (Compact Muon Solenoid) |
| -{LHC-b}- | LHC底夸克實驗 (LHC-beauty) |
| -{ALICE}- | 大型離子對撞器 (A Large Ion Collider Experiment) |
| -{TOTEM}- | 全截面彈性散射偵測器 (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation) |
| LHC 次級加速器 | |
| p and Pb | 質子與鉛離子直線加速器 |
| (not marked) | 質子同步推進器 (Proton Synchrotron Booster) |
| PS | 質子同步加速器 (Proton Synchrotron) |
| SPS | 超級質子同步加速器 (Super Proton Synchrotron) |
大型強子對撞器(Large Hadron Collider，LHC)是一座位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織CERN的粒子加速器與對撞機，作為國際高能物理學研究之用。(全球定位點：北緯46°14′00″，東經6°03′00″) LHC目前仍在建造當中，預計2007年11月開始運作，到時將成為世界上最大的粒子加速器設施。LHC是一個國際合作的計劃，由34國超過兩千位物理學家所屬的大學與實驗室，所共同出資合作興建的。
LHC包含了一個圓周為27公里的圓形隧道，因當地地形的緣故位於地下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。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，另有安裝其他的偏向磁鐵及聚焦磁鐵。
兩個對撞加速管中的質子，各具有的能量為 7 TeV (兆 電子伏特)，總撞擊能量達 14 TeV之譜。每個質子環繞整個儲存環的時間為 89 微秒 (microsecond)。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，最短碰撞周期為 25 奈秒 (nanosecond)。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，碰撞周期為 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)離子可加速到1150 TeV。
由於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，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，而丟棄全部的加速粒子可相當於一個小型的爆炸。
目录 |
[编辑] 研究主題
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：
- 標準模型中所流行的造成基本粒子質量的希格斯機制是真實的嗎？真是如此的話，希格斯粒子有多少種，質量又分別是多少呢？ [2]
- 當 重子 的質量被更精確的測量時，標準模型是否仍然成立的？
- 粒子是否有相對應的 超對稱 (SUSY) 粒子存在？
- 為何 物質 與 反物質是不對稱的？
- 有更高維度的空間 (Kaluza-Klein theory, extra dimensions) 存在嗎？我們可以見到這啟發弦論的現象嗎？
- 宇宙有 96% 的質量是目前天文學上無法觀測到的，這些到底是什麼？
- 為何重力比起其他三個基本作用力(電磁力，強作用力，弱作用力)差了這麼多個數量級？
[编辑] 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，短期的如每年一個月的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]
[编辑] LHC升級計劃
有提議在十年內 LHC 需要作一個硬體性能的提升。[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作一個升級的動作，特別是在於 超級質子同步加速器 的部份。
[编辑] 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，在於超導磁鐵的製造上。另外，尚有在興建放置CMS的地下洞穴時，遭遇到工程技術上的困難。[6] 預期的建造總額約為八十億元 美金。
[编辑] 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。
[编辑] 安全考量
在美國 RHIC 開始實驗之時，同時包含內部的研究者與其他外部的科學家，都有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：
- 創造出一個穩定的 黑洞[7]
- 創造出比一般物質更穩定的 奇異物質 (構成假說中的奇異星的物質) 吸收掉所有一般物質
- 創造出 磁單極 促成 質子衰變
- 造成 量子力學 真空態 的 相變 到另一個未知的相態 (詳見 虛真空)
RHIC與CERN 都有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。即使真的有微黑洞產生了，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。而認為即使像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：宇宙射線的能量是比起LHC來要高出非常多數量級的，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來，太陽、地球和月球也都沒有因此而被摧毀。
然而，仍有一些人還是對LHC的安全性有疑慮：像是這一個有著許多新的，未經測試過的實驗，是沒有辦法完全保證說上述的情況不會發生。 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，對於霍金輻射是否是正確的，也是有一些疑問。[10]
RHIC 自2000年運作到現在，都沒有有產生可以摧毀地球的物質的跡象。
[编辑] 建設
在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。 [1] [2]
[编辑] 關聯項目
- 德國 DESY
- 美國 费米国立加速器实验室
- International Linear Collider 國際直線加速器
- LHC@home
- 超導超大型加速器 (Superconducting Super Collider)
[编辑] 參考
- ↑ Symmetry magazine, 2005年四月號
- ↑ "...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，這個今日的聖杯。 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
- ↑ Ions for LHC
- ↑ PDF presentation of proposed LHC upgrade
- ↑ LHC Cost Review to Completion, CERN 2001
- ↑ Toni Feder - CERN Grapples with LHC Cost Hike - 於2006-06-12造訪。
- ↑ Dimopoulos, S. and Landsberg, G. Black Holes at the Large Hadron Collider. Phys. Rev. Lett. 87 (2001).
- ↑ Blaizot, J.-P. et al. Study of Potentially Dangerous Events During Heavy-Ion Collisions at the LHC. (PDF)
- ↑ Jonathan Leake:Big Bang machine could destroy Earth, Sunday Times
- ↑ Adam D. Helfer: General Relativity and Quantum Cosmology
[编辑] 外部連結
