大強子對撞機

**大強子對撞機**（Large Hadron Collider，簡稱：**LHC**）係一座位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織CERN嘅粒子加速器同對撞機，作為國際高能物理學研究之用。LHC經已建造完成，2008年9月10號開始試運轉，重成功噉維持咗兩質子束喺軌道入便運行，成為世界上最大嘅粒子加速器設施。LHC喺2008年10月21號落成。LHC係一個國際合作計劃，由全球85國入便嘅多個大學同研究機構，超過八千位物理學家共同合力出資合作興建。

2008年9月19號，LHC第三同第四段之間用做冷卻超導磁鐵嘅液態氦發生咗嚴重嘅洩漏，家下據推測係因連接兩個超導磁鐵嘅接點接觸唔好，喺超導高電流嘅情況下融毀造成嘅。根據CERN嘅安全條例，必需將磁鐵升返到室溫後詳細檢查才能繼續運轉，呢啲將需要三到四週嘅時間。要再冷卻返運作溫度，亦係得經過三四週嘅時間，噉啱啱好遇到預定嘅年度檢修時程，於是乎原訂喺2008年10月21號開始進行嘅低能量對撞實驗要去到2009年11月20號先至開始到。

## 設計

LHC包括咗一個圓周為27公里嘅圓形隧道，因當地地形嘅原因位於地下50至150公尺之間。 呢啲係先前大型電子正子加速器（LEP）所用隧道嘅再利用。隧道本身直徑三公尺，位於同一平面上便，貫穿瑞士同法國邊境，主要嘅部份大半位於法國。雖然隧道本身位於地底下，重有好多地面設施好似冷卻壓縮機，通風設備，控制電機設備，重有冷凍槽等等建構於其上。

加速器通道入邊，主要係放置兩個質子束管。因須維持前所未有高能量嘅粒子運行，加速管由超導磁鐵所包覆，以液態氦嚟冷卻。管入便嘅質子係以相反嘅方向，環繞著成個環型加速器運行。除此之外，喺四個實驗碰撞點近鄰，另有安裝第啲嘅偏向磁鐵及聚焦磁鐵。

兩個對撞加速管入便嘅質子，各有啲能量為 5 TeV（兆電子伏特），總撞擊能量達 10 TeV之多。（原設計為 14 TeV）每個質子環繞成個儲存環嘅時間為 89 微秒 。因為同步加速器嘅特性，加速管入便嘅粒子係以粒子團（bunch）嘅形式，而非連續嘅粒子流。成個儲存環將會有2800個粒子團，最短碰撞週期為 25 納秒 。喺加速器開始運作嘅初期，將會以軌道入便放入較少嘅粒子團嘅方式運作，碰撞週期為 75 納秒，再逐步提升到設計目標。

喺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。當中，由兩個直線加速器所構成嘅質子同步加速器（PS）將產生50 MeV嘅能量，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嘅能量。低能量入射環（LEIR）為一離子儲存同冷卻嘅裝置。反物質減速器（AD）可以將3.57 GeV嘅反質子，減速到2 GeV。最後超級質子同步加速器（SPS）可提升質子嘅能量到450 GeV。

喺LHC加速環嘅四個碰撞點，分別設有五個偵測器喺碰撞點嘅地穴中。其中超環面儀器（ATLAS）同緊湊渺子線圈（CMS）係通用型嘅粒子偵測器。第啲三個（LHC底夸克偵測器（LHCb），大型離子對撞器（ALICE）同埋全截面彈性散射偵測器（TOTEM）則係較細型嘅特殊目標偵測器。

LHC亦可以用做加速對撞 重離子，譬如話鉛（Pb）離子可加速到1150 TeV。

因LHC有著對工程技術上極端嘅挑戰，安全的而且確保係極其重要嘅。當LHC開始運作嗰陣，磁鐵入便嘅總能量高達100億焦耳（GJ），而粒子束入便嘅總能量亦高達725百萬焦耳（MJ）。只需要10−7總粒子能量便可以令到超導磁鐵脫離超導態，而丟棄冚嘭唥嘅加速粒子可相當於一個細型嘅爆炸。

## 研究主題

物理學家希望靠加速器對撞機嚟幫助佢哋解答下便嘅問題：

* 標準模型中所流行嘅造成基本粒子質量嘅希格斯機制係真實嘅啩？真係噉嘅話，希格斯粒子有幾多種，質量又分別係幾多呢 ？
* 當重子嘅質量被更精確嘅測量嗰陣，標準模型係咪重係成立？
* 粒子係咪有相對應嘅「超對稱」（SUSY）粒子存在？
* 為何「物質」同「反物質」係唔啱稱嘅？
* 有更高維度嘅空間（卡魯扎-克萊因理論）存在啩？我哋可以見到呢啲啟發弦論嘅現象啩？
* 宇宙有 96% 嘅質量係家下天文學上冇法觀測到嘅，呢啲到底係乜嘢？
* 為何引力比起第啲三個基本作用力（電磁力，強作用力，弱作用力）差咗咁多個數目級？

## 重離子對撞機
雖然LHC嘅物理實驗計劃，著重過研究質子對撞後嘅現象。然而，短期嘅如每年一個月嘅重離子對撞亦喺實驗計劃之中。雖然第啲較輕嘅離子對撞實驗亦係可行嘅，家下主要嘅規劃為鉛離子嘅對撞實驗。

## LHC升級計劃
有提議喺十年內 LHC 需要提昇一次硬體性能。認為 LHC 需要作基本上硬體嘅修改以提升佢嘅「亮度」（單位截面碰撞發生嘅頻率）。理想中 LHC 升級嘅途徑將係包括增加粒子束嘅流量，同埋修改兩個需要高亮度嘅區域： ATLAS 同 CMS 呢兩個偵測器嚟配合。下一代**超大型強子對撞器**嘅入射能量需增加到 1 TeV，於是乎前置入射裝置亦需升級，特別係「超級質子同步加速器」嘅部份。

## 經費支出
LHC嘅建造經費最初係1995年通過嘅一筆26億瑞士法郎，另有一筆兩億一千萬元瑞朗嘅經費作為實驗之用。然而，經費超支。喺2001年嘅一次主要審核預期，將需增加四億八千萬元瑞朗喺加速器嘅建造，同五千萬元瑞朗嘅支出喺實驗運作上。同嗰陣，因CERN年度預算嘅縮減，LHC嘅完工日期由2005年延後到2007年四月，以用更多年度預算嚟支付。其中增加嘅一億八千萬元瑞朗，用於超導磁鐵嘅製造。重有，尚有喺興建放置CMS嘅地下洞穴時遇到嘅工程技術上嘅困難。預期嘅建造總額約為八十億元美金。

## LHC@Home

LHC@Home 係一個 分散式計算 嘅計劃，用做支持LHC興建同校正之用。呢個計劃係用 BOINC 平台，嚟模擬粒子如何喺加速器隧道中運行。有咗呢啲項資訊，科學家便可以決定如何放置磁鐵同調整功率，嚟達到加速軌道運行嘅穩定。

## 安全顧慮
喺美國 RHIC 開始實驗之嗰陣，包括內部嘅研究者同第啲外部嘅一啲科學家，曾擔心類似嘅實驗可能會引發理論上嘅一啲災難，甚至摧毀地球或係成個宇宙：

* 創造出一個穩定嘅黑洞
* 創造出比一般物質更穩定嘅奇異物質 （構成假說入便嘅「奇異星」嘅物質）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嘅相變到另一個未知嘅相態（詳見虛真空）

RHIC 同 CERN 都做咗一啲研究調查，檢視係咪有可能產生譬如話微黑洞、微細嘅奇異物質（奇異微子）或係磁單極等危險嘅事件。呢啲份報告認為「我哋搵唔到任何可以證實嘅危害」。譬如話，除非某個未經證實嘅理論係啱嘅，唔係嘅話係冇可能產生出微細黑洞嘅。就算真有微黑洞產生咗，預期會透過霍金輻射嘅機制，好快就會蒸發消失，所以會係冇害嘅。而似 LHC 噉高能量嘅加速器嘅安全性，最有力嘅論點係一個簡單嘅事實：宇宙射線嘅能量比起 LHC 嚟要高出好鬼多數目級，太陽系星體從形成到而家咁多年落嚟，都不斷地被宇宙射線轟擊。既冇產生出微黑洞、微細嘅奇異物質或係磁單極，太陽、地球同月球亦都冇於是乎被摧毀。

然而，重有一啲人重係對 LHC 嘅安全性有疑慮：類似噉新嘅、未經測試過嘅實驗，係冇辦法完全保證前便講過嘅情況唔會發生。約翰·尼爾森（John Nelson）喺伯明罕大學談到RHIC說「呢啲係好鬼冇可能會有危害嘅──之不過我冇法百分之百保證。」 另外喺學術界，對於霍金輻射係咪正確，亦有一啲疑問。

RHIC 自2000年運行到而家，都冇產生可以摧毀地球嘅物質嘅跡象。

## 建設同延遲
2005年10月25號，因為起重機載貨嘅意外掉落，造成一位技術人員嘅喪生。

2007年3月27號，由費米實驗室所負責建造，一個用於 LHC 內部嘅三極低溫超導磁鐵（屬於聚焦用四極磁鐵），因為支撐架嘅設計唔好，喺壓力測試時發生破損。雖然冇造成人員嘅傷亡，之不過卻嚴重影響咗 LHC 開始運作嘅時程。費米實驗室主任皮耶·奧登（Pier Oddone）說道：「喺呢個案例入邊，我哋驚訝地發現到，一個簡單嘅靜力平衡被疏忽咗。」呢個錯誤存在原始嘅設計入邊，而經過多年嚟數次嘅審核都冇發現。 分析發現，為咗縮細支撐架嘅粗細嚟達成束流管更佳嘅絕緣效果，之但係就於是乎唔足以支撐壓力測試嗰陣，所施加嘅外力。詳細嘅內容可見於費米實驗室嘅對外說明，CERN 亦同意其內容。 修復損壞嘅磁鐵，重補強八個同型嘅磁鐵造成咗 LHC 預計開始運行嘅時程， 於是乎延遲到2007年11月。

2008年9月19號，LHC第三同第四段之間用做冷卻超導磁鐵嘅液態氦發生咗嚴重嘅洩漏，家下據推測係因連接兩個超導磁鐵嘅接點接觸唔好，喺超導高電流嘅情況下融毀造成嘅。根據CERN嘅安全條例，必需將磁鐵升返到室溫後詳細檢查才能繼續運轉，呢啲將需要三到四週嘅時間。要再冷卻返運作溫度，亦係得經過三四週嘅時間，噉啱啱好遇到預定嘅年度檢修時程，於是乎要開始運作將可能延遲到2009年春天。

2008年10月16號，CERN發佈咗關於液態氦洩漏事件嘅調查分析，証實咗先前推測嘅為兩超導磁鐵間接點唔好造成嘅。因安全條例確實地實行、安全設計皆有正常工作、重替換用嘅零件都有庫存，於是乎預期2009年春天將可準時開始運轉。

## 關聯項目

* 德國 DESY
* 美國 費米國立加速器實驗室
* International Linear Collider 國際直線加速器
* LHC@home
* 超導超大型加速器（Superconducting Super Collider）

## 參考

  


## 出面網頁

* 大型強子對撞器計畫網頁
* 加速器物理嘅挑戰
* BOSTON.COM BigPicture:Large Hadron Collider nearly ready
* 為「大理論」嘅探索加溫（BBC UK）
* Compact Muon Solenoid（CMS）
* Compact Muon Solenoid（美國合作者）
* ATLAS
* ATLAS（日本合作者）
* LHC - ATLAS 實驗，包括虛擬實境（VR）環景照片（需安裝 Quicktime）
* Alice 實驗
* LHCb 實驗
* TOTEM 實驗
* LCG - LHC 計算網格
* LHC 啟動計劃，包括日期，能量同亮度
* Seed 短片 - 魔環之王 Lords of the Ring
* 大型強子對撞器：加速器同實驗 －－ 1600頁嘅技術文件 （PDF格式）