欧洲大型强子对撞机

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2024年2月9日发(作者：)

欧洲大型强子对撞机

——80国科学家联手解开宇宙大爆炸之谜

工程总投资：100亿美元

工程期限：1994年——2025年

这是晨光中的“创新球”系统。这个木质球体结构最初是为瑞士展览会Expo'02建造，直径40米，高27米。

2008年9月10日上午9时36分左右（北京时间15时36分），被称为世界规模最庞大的科学工程的欧洲大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简称LHC），在位于瑞士-法国边界的对撞机控制室正式启动。随着第一束质子束被注入，安装在地下100米深的27公里长环形隧道内的世界上最大的粒子对撞机开始运行。

大型强子对撞机（LHC）是一个国际合作的计划，最初构想从1980年首度出现，1994年开始设计建造。它由欧洲20个国家联手发起，来自80多个国家和地区的约7000名科学家和工程师参与了建设，总投资达60亿至100亿美元。作为观察国的中国参与了4个大试验的设备建造，中国科学院高能物理研究所、北京大学、清华大学、中国原子能科学研究院、中国科技大学、南京大学、山东大学、华中师范大学和华中科技大学等科研院所和高校的科研人员参加了部分实验。中国科学家可以平等地享用对撞试验产生的100%的数据。

1999年以来，中国组(中科院高能所和北京大学等高校和科研机构的科学家)承担起LHC上两个最关键的实验探测装置之一CMS端部和桶部部分u探测器阴极室和阻性板室的研制任务,目前中国组已圆满完成该任务的研究、制造、测试、安装任务,并投入到LHC试验中。

欧洲大型强子对撞机是目前世界最大的粒子加速器，它建于瑞士和法国边境地区地下100米深处的环形隧道中，隧道全长26.659公里。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，主要的部份大半位于法国，走完全程要花４个多小时。你可以将百慕大、摩纳哥和４个梵蒂冈塞进它所占的区域内。隧道内将维持在-271℃的极低温。这一温度将会出现超导现象，使得粒子在管道中几乎不受任何阻力，以至接近光速。对撞机从2003年开始建造，整个工程耗去54.6亿美元。

在一项长达10小时的实验中，粒子束的运行距离可能超过100亿公里(60亿英里)，足以在地球与海王星之间做个往返。在达到最大强度时，每一个粒子束拥有的能量相当于一辆以每小时1600公里(1000英里)行进的汽车。大型强子对撞机将消耗120兆瓦电量，相当于日内瓦所有家庭的用电量。

科学家希望，能够在对撞机前所未有的对撞能量帮助下，制造“迷你版”宇宙大爆炸之后的瞬间状况，探秘“希格斯玻色子”(Higgs boson)，“暗物质”，“暗能量”等其他未解之谜。希格斯玻色子以英国物理学家彼得·希格斯名字命名，他在44年前提出，希格斯玻色子是物质的质量之源以及电子和夸克等形成质量的基础，这种粒子给其他粒子赋予了质量，但它一直未被发现。

这台吸引了全世界物理学家目光的“巨无霸”原计划于8月份开动，但由于北京奥运会的热度，所有的电视频道都被占用，而LHC的科学家希望能够向全世界进行现场直播启动仪式，以展现现代物理学对当代社会的重要作用，因此推迟到了今天。

欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机项目主任林恩•埃万斯发布了启动命令，当质子束抵达对撞机第八段隧道的终点时，计算机屏幕上亮起两个白点，说明质子完成了大型强子对撞机整个长度的旅程。此时的项目负责人埃文斯(Lyn Evans)只说了一句话——“到了。”数百名科学家打开香槟庆祝首次运行成功。

在此次测试中，粒子束的运行方向是顺时针的，CERN还计划进行逆时针运行的测试。如果接下来几周对设备及系统运行状况的测试和评估一切正常，那么在10月中下旬，顺时针和逆时针运行的两个粒子束将进行首次对撞试验。如果一切顺利，LHC将在年底前实现两束各达5万亿电子伏特能量的质子束对撞，此能量将是以前世界纪录的5倍。按计划，质子束流明年夏天将达到7万亿电子伏特的设计能量。

大型强子对撞机位于瑞士、法国边境地下100米深的环形隧道中，隧道全长达27公里

电脑绘制的欧洲大型强子对撞机整体结构图

它有什么用途？

大型强子对撞机将两束质子分别加速到7TeV（7万亿电子伏特）的极高能量状态，并使之对撞。其能量状态可与宇宙大爆炸后不久的状态相比。粒子物理学家将利用质子碰撞后的产物探索物理现象，例如，寻找标准模型预言的希格斯粒子、探索超对称、额外维等超出标准模型的新物理。

它为什么这么大？

事实上，你应该问为什么它这么小。答案是为了节省成本。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。

谁在为它工作？

来自大约80个国家的7000多名科学家和工程师。

意义：世界上规模最大的科学计划，将带来重大物理学发现的一个新黄金时代 ；

目的：揭示宇宙起源，寻找上帝粒子希格斯玻色子；

工作原理：将高度活跃的质子以超快速度撞击到一起，上演微缩版的“宇宙大爆炸” ；

地点：位于瑞士、法国边境地下100米深的环形隧道中，隧道全长26.659公里 ；

耗资：超过100亿美元

大型强子对撞机隧道内的冷磁体

工作原理：

大型强子对撞机主要由一个27公里长的超导磁体环和许多促使粒子能沿着特定方向传播的加速结构组成。

大型强子对撞机磁体高16米，长、宽均有10多米，重达1920吨。工程技术人员专门建造了一个巨型吊架，用4根粗钢缆吊住这个磁体，借助液压顶泵将磁体缓慢放入隧道。它长达27公里的环形隧道可被用来加速粒子，使其相撞，创造出与宇宙大爆炸万亿分之一秒时类似的状态。在高能物理实验中，粒子加速器和探测器是常用设备。探测器用来探测碰撞产生的微小粒子，记录粒子能量、质量等信息。强子对撞机上共有4个对撞点，各装有一个探测器，其中一个为CMS(紧凑型μ介子螺线管)探测器。

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摄氏度，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。

工作人员正在对大型强子对撞机隧道内的磁体阵列进行检查。每个磁体都处在恰当位置非常重要，因为这样才能对光束的路径进行精确控制。

将这个跟踪器插入压缩介子线圈探测器的心脏部位。

欧洲大型强子对撞机之最

世界上最大的机器

大型强子对撞机的精确周长是2.6659万米，内部总共有9300个磁体。不仅大型强子对撞机是世界上最大的粒子加速器，而且仅它的制冷分配系统(cryogenic distribution

system)的八分之一，就称得上是世界上最大的制冷机。制冷分配系统在充满近60吨液态氦，将所有磁体都冷却到零下271.3摄氏度(1.9开氏度)前，它将先利用1.008万吨液态氮将这些磁体的温度降低到零下193.2摄氏度。

世界上最快的跑道

功率达到最大时，数万亿个质子将在大型强子对撞机周围的加速器环内以每秒1.1245万次的频率急速穿行，它们的速度是光速的99.99%。两束质子光束分别以70亿电子伏特的最大功率相向而行，在功率达到140亿电子伏特时发生碰撞。每秒总共能发生大约6亿次撞击。

太阳系中的最空的空间

为了避免加速器中的粒子束与空气分子相撞，这些粒子束在像行星间的空间一样空荡的超真空环境中穿行。大型强子对撞机的内压是10-13个大气压，比月球上的压力小10倍。

银河系中最热的热点但比外太空要冷

大型强子对撞机是一个极热和极冷的机器。当两束质子束相撞时，它们将在一个极小的空间内产生比太阳中心热10万倍的高温。与之相比，促使超流体氦在加速器环周围循环的制冷分配系统，让大型强子对撞机保持在零下271.3摄氏度(1.9开氏度)的超低温环境下，这个温度比外太空的温度还低。

有史以来最大最先进的探测器

为了抽样检查和记录每秒多达6亿次的质子相撞结果，物理学家和工程师已经制造了测量粒子的精确度是微米的庞大仪器。大型强子对撞机的探测器拥有先进的电子触发系统，它测量粒子经过时所用时间的精确度，大约是十亿分之一秒。这个触发系统在确定粒子的位置时，精确度可达百万分之一米。这种令人难以置信的快速和精确反应，是确保一个探测器连续层内记录的粒子保持一致的基础。

世界最强大的超级计算机系统

记录大型强子对撞机进行的每项大试验的数据，每年大约足够刻10亿张双面DVD光盘。据估计，大型强子对撞机的寿命是15年。为了让世界各地的数千名科学家在未来15年内通力合作，分析这些数据，分布在世界各地的好几万台电脑将利用一种被称作网格的分散式计算网(distributed computing network)实施研究工作。数据将被传送到可为大量数据提供充足储存空间的一系列大型计算机中心，这些计算机中心一天二十四小时不停地为大型强子对撞机计算网格提供服务。

与LHC有关的三大科学巨头

霍金——“撞出黑洞我就能得诺贝尔奖”

有些科学家为了使用大型强子对撞机等待了20年。

英国《泰晤士报》网站9月9日发表文章，题目是“霍金用50英镑就世界、宇宙和上帝粒子打赌”，摘要如下。

当世界上最大的原子粉碎机开始进行粒子撞击的时候，有一种可能性是，它会产生一个微型黑洞。如果这种微型黑洞出现，地球不会如某些杞人忧天者所说的那样被摧毁———但它会为斯蒂芬·霍金教授赢得诺贝尔奖。

就在科学家们为明天上午大型强子对撞机(LHC)的启动做最后准备之际，霍金这位最著名的物理学家说，如果这台对撞机制造出一个黑洞，从而证实了他自己的理论，毫无疑问他会获得诺贝尔奖。但这位剑桥大学的数学系教授对这样的胜利并不抱有希望。他计算得出，LHC对撞机形成黑洞的几率还不到1%。他说：“我认为，LHC产生足够的能量以形成黑洞的可能性低于1%。因此我并未屏息期待。”事实上，LHC让霍金输掉他同密歇根大学教授戈迪·凯恩的打赌的可能性要大得多。他们赌的是希格斯玻色子是否存在。霍金不相信真的存在这种所谓的“上帝粒子”———让物质具有质量的粒子，而凯恩则认为，人们很快就会找到它。2000年霍金用100美元与凯恩打了这个赌。

如果希格斯玻色子确实存在，LHC几乎肯定能找到它。霍金说：“LH C会让我们研究粒子相互作用时所需的能量水平再增加1/4。根据目前的理论，这应该足以发现希格斯玻色子，这种让其他所有粒子具有质量的粒子。我认为如果没有找到希格斯粒子会更加令人兴奋。这将表明有些地方出错了，我们需要重新思考。我赌了100美元，赌我们找不到希格斯粒子。”

如果希格斯玻色子找到了，那么该理论的提出者———爱丁堡大学的彼得·希格斯教授和两位不知名的比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒特和罗伯特·布鲁———几乎肯定会因此而荣获诺贝尔奖。

霍金关于自己可能获得诺贝尔奖的说法是根据另一项物理学理论：他在1974年提出黑洞会发出辐射，尽管它们的引力极强。这一想法最初受到广泛质疑，但“霍金辐射”现在已被普遍接受，尽管像希格斯玻色子一样，也没有直接证据表明其真实存在。

LHC对撞机有可能产生迅速衰变的微型黑洞，就像霍金设想的那样。但人们不确定加速器能否获得黑洞形成所需的巨大能量。然而即使黑洞形成了，也不会构成威胁，因为证明它们有生成可能性的数学运算同时还决定了它们会立即衰变。

霍金说：“如果LHC中的粒子对撞制造出了一个微型黑洞———当然这是不太可能出现的，这个黑洞也会消散殆尽，产生独特的粒子模式。在地球大气层中，像这样的或更大能量级别的对撞每天要发生数百万次，也没有造成任何恶果。”

埃文斯——LHC缔造者从小爱玩爆破

一手策划这个大型实验林恩·埃文斯博士是英国威尔士一名矿工的儿子，从小就喜欢爆炸。这位63岁的物理学家日前透露，他小时候曾在住宅里用化学装置制造过规模较小的爆炸，这激发了他对科学的热情。他对物理学的兴趣在上男子小学的时候变浓了，当时的物理课还有一种另外的吸引力，因为附近的一所学校没有物理老师，所以该校的女生会坐巴士来他们学校上物理课。

希格斯——“上帝粒子”之父期待80岁寿礼

英国科学家希格斯于1964年首先提出“上帝粒子”(希格斯玻色子)的概念，以此解释为何物质有质量，以及为何这些能凝聚成星体。希格斯即将迎来80岁生日，今年他在参观大型强子对撞机后感慨道：这一机器让他找到信心，“几乎可以确定，不久就可以发现希格斯玻色子”。

粒子物理学的“圣杯”——希格斯玻色子

人们早已发现，自然界中物体之间千差万别的相互作用，可以简单划分为4种力：即引力、电磁力、维持原子核的强作用力和产生放射衰变的弱作用力。在爱因斯坦的相对论解决了重力问题后，人们开始尝试建立一个统一的模型，以期解释通过后3种力相互作用的所有粒子。

经过长期研究和探索，科学家们建立起被称为“标准模型”的粒子物理学理论，它把基本粒子（构成物质的亚原子结构）分成3大类：夸克、轻子与玻色子。“标准模型”的出现，使得各种粒子如万鸟归林般拥有了一个共同的“家园”。但是这一“家园”有个致命缺陷，那就是该模型无法解释物质质量的来源。

为了修补上述理论大厦的缺陷，英国科学家彼得?希格斯提出了希格斯场的存在，并进而预言了希格斯玻色子的存在。假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础。其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。尔后所有的粒子在除引力外的另3种力的框架中相互作用，统一于“标准模型”之下，构筑成大千世界。

“标准模型”预言了62种基本粒子的存在，这些粒子基本都已被实验所证实，而希格

斯玻色子是最后一种未被发现的基本粒子。因此，寻找该粒子，被比喻为寻找粒子物理学领域的“圣杯”。

一名电焊工人在大型强子对撞机隧道内的强子对撞机的两个超导磁体系统之间忙碌着。

粒子撞击试验的现实价值

即使能发现制造宇宙物质质量的希格斯玻色子，这项试验对我们的生活又有什么实际的好处呢？能让我们更便捷上网吗？收看到更多电视频道吗？纽约市立大学理论物理学教授加来道雄（Michio Kaku）表示，物理学试验的潜在回报体现在多个方面：

其一，电信。先前的物理学试验带来了数据处理方面的挑战，这令CERN于1990年创造出了万维网。同样，LHC也将引领我们进入一个全球分布式计算和大量数据更有效贮存的时代。更好地了解亚原子世界将导致量子计算和超安全通信方面取得突破。事实上，LHC进行的每一个大型试验一年所获得的数据，可以刻满十万张双面DVD。为了对这些数据进行分析，世界各地成千上万名科学家都要参与进来，他们所使用的数万台甚至数十万台计算机借助分布式计算网络（网格计算）联合在一起，构成了全球最强大的超级计算机系统。

其二，医疗。粒子加速器目前在癌症治疗和医学成像方面的作用越来越显著。许多医院利用质子、碳离子甚至是反物质等带电粒子来治疗癌症。用于开发LHC的新技术将来会在医院找到广阔的用武之地。为LHCb试验建造的超灵敏光子探测器就是一个重要的例证，此项目发言人罗杰•弗迪说：“我觉得它们在医疗领域的应用就像异花授粉。”

其三，能源：加来道雄表示，通过LHC获得的认识可能在未来数十年内用于开发新能源，比如可控的核聚变电站。微型黑洞的产生甚至可能在能源需求中扮演一个长远性的角色。他说：“一些人认为外太空的黑洞可能是未来人类的能源。”

如果看更长远地来看，对宇宙的深入探索总是会带来技术突破。利用机械力导致19世纪的蒸汽机的出现，人类进入了工业时代，电力与磁力的统一导致计算机、激光和20世纪的其它发明的诞生。原子的奥秘的解开带来了核时代的胜利和恐慌。

人类历史被不断破解的重力、电力和磁力以及核力所塑造。如今我们处于所有这些力统一始祖的边缘，所有这些力将统一成一种超级力。我们认为超级力就是超弦理论，是超级力引发宇宙大爆炸的，创造了宇宙万物。”

来自LHC的最大发现会是什么？LHC将不会打开另一宇宙的大门，它也不会在太空中开个洞。但它将会尽力建立一个等式，从而让高级文明社会能精确操纵时空。”

这是欧洲粒子物理研究所和瑞士、法国周围地区的鸟瞰图。3个环清晰可见，最小的那个（位于右下方）显示出质子同步加速器的地下位置，中间的环是超级质子加速器(SPS)所在位置，这个加速器的圆周是7公里。那个最大的环（圆周27公里）是以前的大型正负电子对撞机(LEP)加速器所在地。

大型强子对撞机六大实验

利用大型强子对撞机(LHC)进行的6项实验都将均在国际合作的模式下完成，这些实验将世界各地的研究机构的科学家聚集在一起，共同见证激动人心的一刻。每一项实验都截然不同，这是由其使用的粒子探测器的独特性所决定的。

两项大规模实验——ATLAS(超环面仪器实验的英文缩写，以下简称ATLAS)和CMS(紧凑渺子线圈实验的英文缩写，以下简称CMS) ——均建立在多用途探测器基础之上，用于分析在加速器中撞击时产生的数量庞大的粒子。两项实验的研究规模和研究层面均达到前所未有的程度。使用两个单独设计的探测器是交叉确认任何新发现的关键所在。

两项中型实验——ALICE(大型离子对撞机实验的英文缩写，以下简称ALICE)和

LHCb(LHC底夸克实验的英文缩写，以下简称LHCb)——利用特殊的探测器，分析与特殊现象有关的撞击。

另外两项实验——TOTEM(全截面弹性散射侦测器实验的英文缩写，以下简称TOTEM)和LHCf(LHC前行粒子实验的英文缩写，以下简称LHCf)——的规模就要小得多。它们的焦点集中在“前行粒子”(质子或者重离子)身上。在粒子束发生碰撞时，这些粒子只是擦肩而过，而不是正面相撞。

ATLAS、CMS、ALICE和LHCb探测器安装在4个地下巨洞，分布在大型强子对撞机周围。TOTEM实验用到的探测器位于CMS探测器附近，LHCf实验用到的探测器则位于ATLAS探测器附近。

ALICE探测器

1. ALICE 大型离子对撞机实验

为了进行ALICE实验，大型强子对撞机将让铅离子进行对撞，在实验室条件下重建“大爆炸”之后的宇宙初期形态。获得的数据将允许物理学家研究夸克-胶子等离子体的性质和状态，这种物质据信在“大爆炸”发生后只存在很短时间。

现在宇宙的所有普通物质都是由原子构成，每个原子拥有一个由质子和中子构成的核子，核子周围环绕着电子。质子和中子都是被称之为“胶子”的其它粒子束缚夸克形成的。这种不可思议的强大束缚意味着，独立的夸克是永远也不会被发现的。

大型强子对撞机内上演撞击时产生的高温是太阳内部温度的10万倍。物理学家希望看到的是，质子和中子会在这种高温条件下“熔化”，并释放被胶子束缚的夸克。这么做将创造夸克-胶子等离子体，它们可能只存在于“大爆炸”之后，当时的宇宙仍处在极度高温之下。科学家计划在夸克-胶子等离子体膨胀和冷却过程中对其进行研究，观察它如何形成最终构成当前宇宙物质的粒子。

共有来自28个国家的94个研究机构的1000多名科学家参与ALICE实验。

ALICE探测器相关资料

尺寸：长26米，高16米，宽16米

重量：1万公吨

位置：法国小镇圣吉利斯-珀利(St Genis-Pouilly)。有兴趣的读者可利用“谷歌地球”一探究竟。

ATLAS是大型强子对撞机两个通用探测器中的一个

2. ATLAS 超环面仪器实验

(ATLAS是一台巨型数字照相机，能够拍摄质子间6亿次碰撞的照片)

ATLAS是大型强子对撞机两个通用探测器中的一个。此项实验涉及到物理学的很多领域，包括寻找希伯斯玻色子、额外维度以及构成暗物质的粒子。与CMS的实验目的一样，ATLAS也将记录与撞击时产生的粒子有关的类似数据，即它们的路径、能量以及特性等等。虽然实验目的相同，但ATLAS和CMS探测器的磁铁系统却采用了完全不同的技术和设计。

ATLAS探测器巨大的圆环形磁铁系统是它的主要特征。这一系统由8个25米长的超导磁铁线圈组成。磁铁线圈分布在贯穿探测器中心的粒子束管周围，形成一个“圆筒”。实验过程中，磁场将被包含在线圈分离出的中央柱形空间内。

共有来自37个国家的159个研究机构的1700多名科学家参与ATLAS实验。

ATLAS探测器相关资料

尺寸：长46米，高25米，宽25米，是迄今为止制造的个头最大的粒子探测器。

重量：7000公吨

位置：瑞士梅林(Meyrin)

3. CMS

CMS实验利用一个通用探测器，对物理学的很多领域进行研究，包括寻找希伯斯玻色子、额外维度以及构成暗物质的粒子。虽然实验目的与ATLAS相同，但这个探测器的磁铁系统却采用了完全不同的技术和设计。

CMS探测器是在一个巨型螺管式磁铁基础上建成的。它采用圆柱形超导电缆线圈，可产生4特斯拉的磁场，相当于地球磁场的10万倍。这个巨大磁场受一个“铁轭”限制——探

测器1.25万公吨的重量大部分来自“铁轭”。与大型强子对撞机的其它巨型探测器有所不同的是，CMS探测器并不是在地下建造，而是选在地上，后分成15个部分被运至地下，最后完成组装，这也算得上它的一大特色。

共有来自37个国家的155个研究机构的2000多名科学家参与CMS实验。

CMS探测器相关资料

尺寸：长21米，宽15米，高15米

重量：1.25万公吨

位置：法国塞希(Cessy)。有兴趣的读者可利用“古歌地球”一饱眼福。

底夸克探测器(LHCb)

LHCb实验将有助于我们理解人类为何生活在一个几乎完全由物质而非反物质构成的宇宙。它通过研究一种称为“美夸克”(beauty quark)的粒子，专门对物质和反物质之间的微妙差异展开调查。LHCb实验不是将整个撞击点同密封探测器围起来，而是使用一系列子探测器去主要探测前行粒子(forward particle)。

第一个子探测器将安装到撞击点附近，而接下来的几个将会一个挨一个安装，它们的长度都超过20米。大型强子对撞机将创造出大量不同类型的夸克，然后它们将快速蜕变为其他类型。为捕捉到“美夸克”，LHCb项目小组已开发出先进的可移动跟踪探测器，并安装在围绕于大型强子对撞机周围的光束路径附近。LHCb项目小组由来自13个国家48所研究机构的650位科学家组成。

LHC底夸克探测器相关资料

尺寸：长21米，高10米，宽13米

重量：5600吨

设计：具有平面探测器的前向接受谱仪

地点：法国费尔奈-伏尔泰

5.全截面弹性散射探测器(TOTEM)

全截面弹性散射探测器实验研究前行粒子，以重点分析普通实验难以获得的物理学原理。在一系列研究中，它将测量质子大小，还将准确监控大型强子对撞机的光度。想要做到这一点，全截面弹性散射探测器就必须要捕捉到距大型强子对撞机光束非常近的距离产生的粒子。它由一组安放在称为“罗马罐”(Roman pot)的特制真空室的探测器组成。

“罗马罐”同大型强子对撞机的光束管道相连。8个“罗马罐”将被一对一对地置于CMS实验撞击点附近的四个地点。尽管从科学意义上讲这两次实验是独立的，但TOTEM实验将是CMS探测器和其他大型强子对撞机实验所获结果的有力补充。来自8个国家10所研究机构的50位科学家将参与TOTEM实验。

全截面弹性散射探测器相关资料

尺寸：长440米，高5米，宽5米

重量：20吨

设计：“罗马罐”，GEM探测器和阴极条感应室

地点：法国塞斯(位于CMS附近)

照片上是LHCb电磁量能器。这是一个由3300块组成的一面42平方米的墙体，上面有闪烁体、光缆和铅。

探测器

LHCf实验将用于研究大型强子对撞机内部产生的前行粒子，作为在实验室环境下模拟宇宙射线的来源。宇宙射线是自然产生于外太空的带电粒子，不断轰击地球大气层。它们在高层大气与核子相撞，产生一连串到达地面的粒子。研究大型强子对撞机内部撞击如何引起类似的粒子串有助于科学家解释和校准大规模宇宙射线实验，这种实验会覆盖数千公里的范围。来自4个国家10所研究机构的22位科学家将参与LHCf实验。

LHCf 探测器相关资料

尺寸：两个探测器，每个长30厘米，高80厘米，宽13厘米

重量：每个重40公斤

设计：

地点：瑞士梅林(位于ATLAS附近)

将ATLAS磁体环形端盖从180号大楼运输到ATLAS指定地点。

宇宙大爆炸示意图

待解五大谜团

欧洲核子研究中心于2008年9月10日启动大型强子对撞机(LHC)。这个世界上最大的机器，有望揭开宇宙起源的奥秘在内五大谜团。

过去几十年来，物理学家不断在细节上加深对构成宇宙的基本粒子及其交互作用的了解。了解的加深让粒子物理学的“标准模型”变得更为丰满，但这个模型中仍存在缝隙，以至于我们无法绘制一幅完整的图画。为了帮助科学家揭示粒子物理学上这些关键性的未解之谜，需要大量实验数据支持，大型强子对撞机便担负起“数据提供者”的角色，这也是非常重要的一个步骤。大型强子对撞机能够将两束质子加速到空前的能量状态而后发生相撞，此时的撞击可能带来意想不到的结果，绝对是任何人都无法想象的。

牛顿未完成的工作——什么是质量？

质量的起源是什么？为什么微小粒子拥有质量，而其它一些粒子却没有这种“待遇”？对于这些问题，科学家到现在也没有找到一个确切答案。最有可能的解释似乎可以在希伯斯玻色子身上找到。希伯斯玻色子是“标准模型”这一粒子物理学理论中最后一种尚未被发现的粒子，它的存在是整个“标准模型”的基石。早在1964年，苏格兰物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)便首次预言存在这种粒子，但迄今为止，科学家仍未见过它的庐山真面目。

ATLAS和CMS实验将积极寻找这种难于捉摸的粒子存在迹象。

一个“看不见”的问题——96%的宇宙由什么构成？

我们在宇宙中看到的一切——从小蚂蚁到巨大的星系——都是由普通粒子构成的。这些粒子被统称为物质，它们构成了4%的宇宙。余下的部分据信由暗物质和暗能量构成，对它们进行探测和研究的难度不可想象。研究暗物质和暗能量的性质是当今粒子物理学和宇宙学面临的最大挑战之一。

ATLAS和CMS实验将寻找超级对称的粒子，用于验证一种与暗物质构成有关的假设。

大自然的偏好——为什么找不到反物质？

我们生活在一个由物质构成的世界，宇宙万物——包括我们人类在内都是由物质构成的。反物质就像物质的一个孪生兄弟，但它却携带相反电荷。在宇宙诞生时，“大爆炸”产生了相同数量的物质和反物质。然而，一旦这对孪生兄弟碰面，它们就会“同归于尽”，并最终转换成能量。不知何故，少量物质幸存下来，并形成我们现在生活的宇宙，而它的孪生兄弟反物质却几乎消失得无影无踪。为什么大自然不能一碗水端平，平等对待这对孪生兄弟呢？

LHCb实验将寻找物质与反物质之间的差异，帮助解释大自然为何如此偏向。此前的实验已经观察到两者之间的些许不同，但迄今为止的研究发现还不足以解释宇宙中的物质和暗物质为何在数量上呈现出明显的不均衡。

“大爆炸”的秘密——物质在宇宙诞生后的第一秒呈什么状态？

构成宇宙万物的物质据信来源于一系列密集而炽热的基本粒子。现在宇宙中的普通物质由原子构成，原子拥有一个由质子和中子构成的核子，质子和中子都是被称之为“胶子”的其它粒子束缚夸克形成的。这种束缚非常强大，但在最初的宇宙，由于温度极高加之能量巨大，胶子很难将夸克结合在一起。也就是说，这种束缚似乎是在“大爆炸”发生后的最初几微秒内形成的，此时的宇宙拥有一个由夸克和胶子构成的非常炽热而密集的混合物，也就是

所说的“夸克-胶子等离子体”。

ALICE实验将利用大型强子对撞机模拟大爆炸发生后的原始宇宙形态，分析夸克-胶子等离子体的性质。

隐藏的世界——空间的额外维度真的存在吗？

根据爱因斯坦广义相对论，人类生存的三维空间加上时间轴即构成所谓四维空间。后来的理论认为，可能存在拥有隐藏维度的空间。弦理论便暗示额外的空间维度尚未被人类观察到，它们似乎会在高能条件下显现出来。基于这种推测，科学家将对所有探测器获得的数据进行仔细分析，以寻找额外维度存在迹象。

2008年2月初，在将μ介子小轮子送入洞中之前看到的ATLAS洞A侧的情景。

数字解读欧洲大型强子对撞机

27公里=大型强子对撞机周长。

每小时50公里=现场物理学家的速度限制。

每小时10亿公里(相当于光速的99.9999991%)=质子绕环形隧道运转的最高速度。

万分之一秒=质子绕环形隧道一圈的时间。

0.克=在大型强子对撞机中循环的质子的总质量。

362兆焦=在大型强子对撞机中循环的质子最高速情况下产生的总能量。

8.8万吨=美国航母“罗纳德·里根”号总重量。

361兆焦=“罗纳德·里根”号以5.6节船速航行产生的能量

41亿美元=建造大型强子对撞机的费用

45亿美元=建造“罗纳德·里根”号的费用。

9000立方米=大型强子对撞机主要真空系统的总容量。

4650立方米=英国威斯敏斯特宫大本钟钟塔的内部容量。

14年=建造大型强子对撞机花费的时间。

13年=建造大本钟花费的时间。

600万=存储大型强子对撞机产生的一切数据所需要的DVD数量。

6.9公里=400万张DVD堆叠起来的高度。

4.8公里=勃朗峰的海拔高度。

0.75克=填充一个普通气球所需的氢气数量。

0.000000002克=大型强子对撞机每天消耗的氢气数量。

100万年=大型强子对撞机用完一个普通气球内的氢气所需要的时间。

8.3特斯拉=大型强子对撞机1232个超导二极磁体每一个的最高磁场强度。

1特斯拉=普通废品堆放站电磁体的磁场强度。

ALICE洞中的L3磁体的一个门即将关闭的门

进行安装时电脑中心的场景

安装世界上最大的硅跟踪探测器

2007年2月8日，国际未来加速器委员会（ICFA）在北京中科院高能物理研究所向全球发布信息，拟议中的未来国际高能物理加速器——国际直线对撞机（ILC）已完成参考设计和参考造价，这是国际直线对撞机发展的第二个重大里程碑。ILC和正在瑞士日内瓦欧洲核子研究中心（CERN）开始运行的大型强子对撞机（LHC）一起，将会解开很多未解的宇宙科学之迷。

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