标题：强子对撞机
简介
介子一般是高能物理过程中的产物，极不稳定，短时间内就会发生衰变，因此不会是对  撞机用来加速的粒子。在重子中，相对稳定的是质子和中子，而中子不带电，无法实现加速过程。也就是说，目前可行的强子对撞机所加速的粒子是质子。当前世界上能量最高的强子对撞机是位于瑞士日内瓦的由欧洲核子研究中心建造的大型强子对撞机，它能使质子－质子在14TeV的质心能下对撞。
  强子-结构模型图
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。
地球上最大的“粒子粉碎机”一路走来可谓多灾多难，现在又遇到了麻烦。两位美国公民日前对欧洲大型强子对撞机计划（LHC）提出了诉讼，要求推迟这一“粒子粉碎机”开动的时间。他们声称，LHC可能产生危险的粒子或者微型黑洞，从而毁灭整个地球。
建造在瑞士欧洲粒子物理中心（CERN）的LHC眼看就要完工了，科学家希望它能在今年7月中旬开始运行。然而，3月21日，居住在夏威夷的Luis Sancho和Walter Wagner针对CERN和美国一些科研机构，向美国联邦地方法院提出了诉讼，要求在安全性得到证实之前，不启动LHC对撞计划。他们点名的美国科研机构包括能源部、国家自然科学基金会和芝加哥附近的费米实验室。
美国能源部和费米实验室不会对此发表评论，它们坚持认为这是一项应由司法部处理的法律案件。而CERN的一位发言人James Gillies则表示，这项诉讼要求是“彻底的胡说”。“LHC将在今年启动，并创造出各种关于宇宙的激动人心的新物理学认识。”他补充道，“从现在开始一年之后，世界还在那里。” 
LHC将把质子加速到具有巨大的能量并进行对撞“粉碎”，从而模拟大爆炸后不足十亿分之一秒的情况。物理学家希望借此来解开长期以来的重大和基本难题，比如粒子为何存在质量（即验证希格斯玻色子）、空间是否隐藏着额外的维度等等。  希格斯玻色子-模型图
结构及六大实验
据国外媒体报道，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。
1. ALICE
  ALICE探测器为了进行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）。
2. ATLAS
  ATLAS探测器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探测器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）。
4.LHC底夸克探测器（LHCb)
  LHC底夸克探测器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）
6.LHCf 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
地点：瑞士梅林（位于ATLAS附近）
卫星图
欧洲大型强子对撞机卫星图
然而，Sancho和Wagner的诉讼提出了一些理论假想――LHC可能制造出吞没地球粒子，比如“杀手奇异子”（一种包含非通常夸克的假想粒子物质）。如果一种奇异子十分稳定并且带有负电，那它们就有可能“吃”普通物质的核子，并将其转变为奇怪的物质。最终，一系列危险的连锁反应会毁灭整个地球和每一个人。
实际上，2003年关于LHC安全性的评审报告就认为，“它没有导致任何可能的威胁出现的基础”。尽管该报告承认，该加速器有微小几率能创造出短暂的迷你黑洞或者磁单极子，从而破坏普通原子的质子，但它得出结论认为，任何一种假想的情况都不会导致灾难。而一个更新版本的安全评估报告很快也会发布，此外，物理学家还打算在4月6日CERN的一个招待会上讨论安全性问题。事实上，在美国Brookhaven国家实验室当年兴建“相对论重离子对撞机”（RHIC）时，Wagner就提出过类似的利害关系。Gillies说：“RHIC于  强子对撞机2000年就开始运行了，我们现在还不是好好的。”此外，他补充道，比LHC高得多的能量碰撞在自然界也频繁发生，宇宙射线粒子能以接近光速穿过银河系周围。月球已经经历了50亿年的这种碰撞影响，也没有被哪个贪婪的黑洞或者杀手奇异子毁灭。
然而，Sancho和Wagner认为，CERN的安全性评审“马马虎虎”，低估了潜在风险，而且上述的宇宙射线辩解也是误导性的。他们在诉讼文件中称：“被告不经意间将创造出一种危险的物质形式……或者不安全的物理学环境状态，这种影响在范围上可能同是局部和国家层面的，并且波及每一个人。这是毫无疑问的。”
数据之最
**1：大型强子对撞机数据“之最”
自从1980年“大型强子对撞机”的构想首度出现以来，历经近30年，这一“世界上最大的机器”终于从梦想成为现实，2008年9月10日已经开始试运转。现撷取一些有关它的数据“之最”，记录如下：
⒈世界上最大的机器：“大型强子对撞机”不仅是世界上最大的粒子加速器，而且也是世界上最大的机器。它位于瑞士、法国边境地区的地下100米深的环形隧道中，隧道全长26.659公里。
⒉地球上最快的“轨道”：如果“开足马力”，数以百万计的粒子将在环形隧道内以每秒11245圈的速度“狂飙”，约等于光速的99.99%。
⒊太阳系中最“空旷”的地方：为避免粒子流与气体分子发生碰撞，粒子流都在超高真空的“通道”内运行，其间如同星际空间一样“空旷”，气压仅为10的负13次方个标准大气压，比月球上的大气压还小10倍。
⒋最热与最冷的机器：大型强子对撞机是个既极端热又极端冷的机器。当两束粒子流对撞的时候，碰撞点将产生极端高温，可以达到太阳中心温度的10万倍。而与之形成鲜明对比的是，由于采用了超流体氦冷却等手段，对撞机中粒子运行的加速腔在工作时的温度仅为零下271.3℃（1.9K），比遥远的太空还要冷。
⒌全球最强大的超级计算机系统：大型强子对撞机上进行的每一个大型试验一年所获得的数据，可以刻满十万张双层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，这也构成了全球最强大的超级计算机系统。
***2：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”。
大型强子对撞机
大型强子对撞器（Large Hadron Collider，LHC），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。（全球定位点：北纬46°14′00″，东经6°03′00″46.233333333333;6.05） LHC已经建造完成，北京时间2008年9月10日下午15：30正式开始运作，成为世界上最大的粒子加速器设施。但在2008年9月19日，LHC第三与第四段之间用来冷却超导磁铁的液态氦发生了严重的泄漏，导致对撞机暂停运转。LHC是一个国际合作的计划，由34国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，主要的部份大半位于法国。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。　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。　60余名中国科学家（其中近四十人为台湾科学家）参与强子对撞机实验。　在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。　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。
大型强子对撞机LHC再破世界纪录2010年3月19日，世界上最大的粒子加速器大型强子对撞机（LHC），这个预期的建造总额约为八十亿元美金的世界最大型强子对撞机成功地打破了自身于2009年12月份创造的纪录，成为全世界能量最强的对撞机。
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。
欧洲大型强子对撞机试验出现故障2010年03月30日欧洲核子研究中心30日宣布，当天开始实施的迄今最高能量的质子束流对撞试验，由于出现一系列故障，对撞时间可能至少推迟数小时。
欧洲对撞机实现迷你宇宙大爆炸
：创10万亿度高温  瑞士日内瓦附近的世界上最大的粒子加速器2010年11月09日 09:42 新浪科技 消息，据《独立报》报道，科学家借助欧洲大型强子对撞机（LHC）成功完成了创造迷你版“宇宙大爆炸”的实验，产生了一个温度为太阳核心温度100万倍的火球。参与这个项目的英国科学家热烈庆祝了这个具有里程碑意义的实验。　大型强子对撞机创造了一个迷你版本的“宇宙大爆炸”，而宇宙正是诞生于大约140亿年前的大爆炸。参与大型强子对撞机项目ALICE铅离子对撞实验的英国科学家都在庆祝对撞实验取得成功，这将开启粒子物理学研究的新世纪。“迷你大爆炸”是通过令铅离子高速撞击产生的，撞击产生的温度是太阳核心温度的100万倍，重现了大爆炸后宇宙的瞬间状况。
ALICE离子对撞实验项目英国小组成员、伯明翰大学物理学家戴维·埃文斯博士说：“我们对这一成就激动万分。对撞实验产生了迷你版本的宇宙大爆炸以及在实验中取得的有史以来的最高温度和密度。这个过程发生在一个安全、可控的环境内，生成了炽热和稠密的亚原子火球，温度超过10万亿度，即太阳核心温度的100万倍。在这一温度下，连构成原子核的质子和中子也被融化了，产生称为‘夸克与胶子等离子体’的炽热而稠密的夸克与胶子汤。”
强大的磁体令铅离子以接近于光速的速度在地下数百英里的隧道内高速运转。铅离子以相反两个方面飞行，最后聚焦变成一个狭长的光束，被迫在ALICE探测器内撞击。科学家希望，通过夸克与胶子等离子体，可以让他们对强作用力有更多的了解。强作用力是自然界存在的四种基本作用力之一。
埃文斯说：“强作用力不仅使原子核牢牢地绑定在一起，而且还对它们98%的质量负责。我现在期待着研究大爆炸发生后瞬间构成宇宙的一小部分物质。”ALICE探测器是大型强子对撞机的组成部分。大型强子对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加速器，旨在探究宇宙起源，它建在法国与瑞士边境地下一条16.7 英里（约合27公里)长的环形隧道内，由欧洲核子研究中心（Cern）负责管理。
大型强子对撞机共有4台探测器构成，它们分别安装在环形隧道的4个地下巨洞内，分布在大型强子对撞机周围。其中，ALICE探测器高16米、宽26米、重约1万吨。来自全球30个国家100个科研机构的大约1000位物理学家和工程师参与了ALICE实验。英国方面有8位物理学家和工程师以及7名来自伯明翰大学的博士生参与了这个项目。在铅原子核撞击期间，ALICE探测器以每秒1.2千兆字节的速度下载数据，生成相当于300万张CD存储的信息。（杨孝文）