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粒子對撞機
一種設備裝置
主要作用是積累并加速相繼由前級加速器注入的兩束粒子流，到一定強度及能量時(shí)使其進(jìn)行對撞，以產(chǎn)生足夠高的反應能量，粒子對撞的類(lèi)別有選擇正負電子的，有強子粒子對撞的，有質(zhì)子對撞的和單質(zhì)粒子對撞的等，目的是檢驗人們的實(shí)驗儀器和探索微觀(guān)粒子的宏觀(guān)效應，認識量子粒子的新規律，新粒子，認識新物理等前沿的量子粒子物理科學(xué)。同時(shí)，粒子對撞也是一種天然粒子‘機制’，人們探索‘粒子對撞機制’的成因，探索‘超對稱(chēng)’超額維度的存在，開(kāi)發(fā)新材料。
基本信息
| 中文名 | 粒子對撞機 |
| 外文名 | Particle Collider |
| 拼音 | liziduizhuangji |
| 屬性 | 一種設備裝置 |
| 目的 | 兩束粒子流對撞 |
| 拉丁學(xué)名 | Particula Collider |
收起
產(chǎn)品簡(jiǎn)介
可行性分析
粒子對撞機
用于相互作用的那部分能量所占的比例將越來(lái)越小，即被加速粒子能量的利用效率越來(lái)越低，但是，如果是兩個(gè)能量為E的相向運動(dòng)的同種高能粒子束對撞，則質(zhì)心系能量約為2E，即粒子全部能量均可用來(lái)進(jìn)行相互作用。可見(jiàn)，為了得到相同的質(zhì)心系能量，所需的加速器能量將比對撞機大得多。如果對撞機能量為E，則相應的加速器能量應為2E2/E。例如，能量為2×300GeV的質(zhì)子、質(zhì)子對撞機，同一臺能為180000GeV的質(zhì)子加速器相當，建造這樣高能量的加速器。在目前的技術(shù)水平及經(jīng)濟條件仍然是不可及的。但建造上述能量或更高一些能量的對撞機是完全可行的，這就是近20年來(lái)對撞機得到廣泛發(fā)展的原因之一。
亮度指標發(fā)展
對撞機的主要指標除能量外還有亮度。
所謂對撞機的亮度是指該對撞機中所發(fā)生的相互作用反應率除以該相互作用的反應截面。顯然亮度越高對撞機的性能就越好。
20世紀50年代初
歷史20世紀50年代初，加速器的設計者就有過(guò)利用對撞束來(lái)獲得更高質(zhì)心系能量的設想，但是鑒于加速器中束流的強度太低，束流密度遠低于靶的粒子密度，雙束對撞引起的相互作用反應率將比束流轟擊固定靶時(shí)發(fā)生的反應率低106倍，這樣，很難進(jìn)行最低限度的測量，這種設想就沒(méi)有得到應有的重視。
1956年
1956年人們開(kāi)始懂得依靠積累技術(shù)，可以獲得必要強度的束流，從而使對撞機的研究真正被提到日程上來(lái)。正負電子對撞機的造價(jià)低，技術(shù)簡(jiǎn)單，因此它是首先研究的對象。
1961年
最初的兩臺對撞機是1961年投入運行的，不久又相繼出現了好幾臺低能量的電子對撞機。B.里希特就是在美國斯坦福直線(xiàn)加速器中心的正負電子對撞機SPEAR上發(fā)現著(zhù)名的J/ψ粒子的（同時(shí)在美國布魯克海文國家實(shí)驗室由丁肇中教授發(fā)現），為近代高能物理的發(fā)展作出了很大的貢獻，正是由于這一成就為后來(lái)人們下決心建造更大的正負電子對撞機起了決定性的作用。
1986年
1986年時(shí)對撞機達到的亮度約在1029～1032cm-2·s-1。
產(chǎn)品特點(diǎn)
對撞機特點(diǎn)與同步加速器極為相似，對撞機呈環(huán)形，沿環(huán)安放著(zhù)磁鐵系統、高頻系統、真空系統以及探測和校正系統等。此外，它沿圓環(huán)還有兩個(gè)或兩個(gè)以上專(zhuān)供對撞用的特殊長(cháng)直線(xiàn)節，探測儀器就被安置在長(cháng)直線(xiàn)節內的對撞點(diǎn)附近的空間中。使電荷相反，靜止質(zhì)量相同的兩束粒子相碰比較簡(jiǎn)單，只要建立一個(gè)環(huán)就行了如果是電荷相同的同種粒子相撞，就必須要建立兩個(gè)環(huán)。兩個(gè)環(huán)的外加磁場(chǎng)方向相反。這兩個(gè)環(huán)可以建在同一平面中，使其在幾個(gè)交叉的地方進(jìn)行對撞；也可以建立在上下兩個(gè)不同平面中，用特殊的電磁場(chǎng)使兩種粒子在長(cháng)直線(xiàn)節內相撞，此外，高能量的對撞機還需要用一臺高能加速器（一般用同步加速器或直線(xiàn)加速器）作為注入器，先把粒子加速到一定能量，再注入到對撞機中去進(jìn)行積累，進(jìn)一步加速及對撞。積累、加速及對撞是對撞機的三大機能，所謂積累是設法把高能加速器在不同時(shí)間加速出來(lái)的脈沖粒子束團積累在對撞機環(huán)形真空室（稱(chēng)為儲存環(huán)）中。一般需要積累幾十或上千個(gè)束團，才能達到對撞所需的強度。
電子同步加速器的束流團的積累是依靠同步輻射來(lái)完成的，同步輻射雖然使同步加速器的能量難于進(jìn)一步提高，但卻使得電子束的橫向及縱向的尺寸在加速過(guò)程中大大收縮，即密度大大提高，利用這一特性就可以積累一股很強的電子束流。質(zhì)子卻沒(méi)有這種特性，這就需要用動(dòng)量積累過(guò)程來(lái)得到強流質(zhì)子束。
積累動(dòng)量以后，對撞機還可以將注入其中的高能粒子進(jìn)一步加速到更高的能量，對撞機的這一作用與普通的同步加速器完全一樣，粒子的能量是由安置在圓環(huán)上的高頻加速腔供給的，在整個(gè)加速過(guò)程中，對撞機的磁場(chǎng)逐漸上升，高頻腔的頻率也被嚴格控制得與被加速粒子的回旋頻率一樣或成整數倍，從而使粒子不斷地被加速到更高能量。
當粒子被加速到預定能量后，對撞機的磁場(chǎng)就被維持在相應的恒定值上，粒子束就在環(huán)形真空室中不斷地回旋，兩束并在對撞區域內某點(diǎn)發(fā)生對撞。這時(shí)布置在對撞區周?chē)臏y量?jì)x器，就可對碰撞時(shí)發(fā)生的事例不斷地進(jìn)行測量，剩下的沒(méi)有起反應的粒子將繼續在環(huán)里回旋運動(dòng)，等到下一次到達對撞區時(shí)再度發(fā)生對撞。一直到束流的強度降低到不能再作物理實(shí)驗為止，這時(shí)兩股束流的壽命也就中止了。束流的壽命一般可達幾小時(shí)或幾十小時(shí)，所以作為注入器的高能加速器只有在積累過(guò)程中才把粒子束流提供給對撞機，而在對撞的過(guò)程中，還可供轟擊靜止靶的物理實(shí)驗用。
產(chǎn)品現狀
歐洲核子中心
目前建成的質(zhì)子對撞機如歐洲核子中心代號ISR的交叉儲存環(huán)，其能量為2×31GeV，它于1971年已投入運
行。由于電子冷卻及隨機冷卻技術(shù)（見(jiàn)加速器技術(shù)和原理的發(fā)展）的成功，使反質(zhì)子束的性能大大得到改善，而且束流可以積累到足夠的強度，從而有可能在同一環(huán)中進(jìn)行質(zhì)子－反質(zhì)子對撞。
粒子對撞機
為了增加對撞的幾率（即提高對撞機的亮度），歐洲核子中心于1981年將一臺能量為400GeV的質(zhì)子同步加速器（即SPS）改建成質(zhì)子－反質(zhì)子對撞機，并于1983年取得了極其重要的實(shí)驗成果，發(fā)現了W±、Z0粒子。
70年代初期
70年代初期，出現了在對撞區中插入一種特殊的稱(chēng)為低包絡(luò )插入節的聚焦結構，使束流在對撞點(diǎn)的橫截面受到強烈的壓縮，從而使對撞點(diǎn)的束流密度大大增加。
由于采用了這種結構，使70年代建造的對撞機的亮度比以前提高了一兩個(gè)數量級。另外，為了盡可能
的延長(cháng)束流的壽命，對撞機環(huán)內的真空度平均不得低于10-8～10-9Torr,尤其是在對撞區附近。為了減少物理實(shí)驗的本底，即為了保證使束流與束流發(fā)生對撞的幾率大大超過(guò)束流與殘余氣體相撞的幾率，真空度應維持在10-10～10-11Torr左右。所以大體積高真空這一技術(shù)也隨著(zhù)對撞機的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)了。對撞機的類(lèi)型電子－正電子對撞機又稱(chēng)正負電子對撞機，由于正負電子的電荷相反，所以這種對撞機只要建立一個(gè)環(huán)就可以了。相應的造價(jià)就比較低，目前世界上已建成的對撞機大部分是屬于這一類(lèi)的。
粒子對撞機
同步輻射損失
但是，由于電子回旋時(shí)引起的同步輻射損失，使這種對撞機能量的進(jìn)一步提高發(fā)生了困難，因為同步輻射功率與電子的能量二次方成正比，且與回旋半徑的平方成反比，為了減少輻射損失，一般高能量的電子對撞機均采用大半徑方案，即采用只有幾千高斯的低磁場(chǎng)來(lái)控制電子的運動(dòng)，即使如此，目前電子對撞機的最高能量仍然受到很大的限制，例如,10GeV的電子在曲率半徑為100m的對撞機中運動(dòng)時(shí)，每圈的輻射損失約為10MeV，如果對撞機中的回旋電流為1A，要補償這束電子流的輻射損失，就需要平均功率為10MW的高頻功率。
假如正電子流也為1A，則總的平均功率為20MW，由此可見(jiàn)，對撞機中高加速頻系統的功率絕大部分是用來(lái)補償這一同步輻射損失的。輻射特性雖然給電子能量的進(jìn)一步提高帶來(lái)了困難，但也有一定的好處，這是因為電子或正電子注入對撞機后，由于電子的輻射損失，使電子截面受到強烈的壓縮，電子很快集中到一個(gè)很小的區域中，其余的空間可以用來(lái)容納再一次注入的電子，這樣使積累過(guò)程簡(jiǎn)化，而且允許采用較低能量的注
入器，通常采用直線(xiàn)加速器，也有采用電子同步加速器的。這種對撞機中所需的正電子是由能量為幾十兆電子伏以上的電子打靶后產(chǎn)生的，為了得到盡可能強的正電子束，往往需要建造一臺低能量的強流電子直線(xiàn)加速器。另外產(chǎn)生出來(lái)的正電子束尚需再度注入到注入器中，與電子一起加速到必要的能量，再注入到對撞機中去。由于正電子束的強度只及電子束的千分之一到萬(wàn)分之一，所以需要幾分甚至幾十分鐘的積累，才能達到足夠的強度。
粒子對撞機
質(zhì)子-質(zhì)子對撞機這種對撞機需要建造兩個(gè)環(huán)，分別儲存兩束相反方向回旋的質(zhì)子束，才能實(shí)行質(zhì)子與質(zhì)子的對撞。由于質(zhì)子作回旋運動(dòng)時(shí)，其同步輻射要比電子小得多，在目前質(zhì)子達到的能量范圍內，可以略去不計，因此為縮小這類(lèi)對撞機的規模，盡量采用強磁場(chǎng)，這就需要采用超導磁體。另外，質(zhì)子束的積累也不如電子對撞機那樣方便，它必須依靠動(dòng)量空間的積累來(lái)實(shí)現。為此，必須首先在高能同步加速器中，將質(zhì)子加速到高能（一般為幾十吉電子伏），依靠絕熱壓縮，將質(zhì)子束的動(dòng)量散度壓縮上百倍，再注入到對撞機中去進(jìn)行積累，質(zhì)子對撞機中的高頻加速系統主要是用來(lái)進(jìn)行動(dòng)量空間的積累及積累完畢后的進(jìn)一步加速，因此所需要的高頻功率也比電子對撞機小得多。
由于上述原因，質(zhì)子－質(zhì)子對撞機的規模要比電子－正電子對撞機大，投資也較高。質(zhì)子－反質(zhì)子對撞機質(zhì)子與反質(zhì)子的質(zhì)量相同，電荷相反，也只需要造一個(gè)環(huán)就能進(jìn)行對撞。這種對撞機發(fā)展得較晚，主要原因在于由高能質(zhì)子束打靶產(chǎn)生的反質(zhì)子束強度既弱，性能又差，無(wú)法積累到足夠的強度與質(zhì)子對撞。
“冷卻”技術(shù)的成功
70年代后期，“冷卻”技術(shù)的成功，給予這種對撞機巨大的生命力(見(jiàn)加速器技術(shù)和原理的發(fā)展)。由于冷卻技術(shù)的成功，使得現有的高能質(zhì)子同步加速器，只要它的磁鐵性能及真空度夠好的話(huà)，均有可能可以改成質(zhì)子－反質(zhì)子對撞機。
今后再建的超高能質(zhì)子同步加速器，均考慮了同時(shí)進(jìn)行質(zhì)子－反質(zhì)子對撞的可能，由此可見(jiàn)，這一技術(shù)成功的意義是何等重要。實(shí)現質(zhì)子－反質(zhì)子對撞雖然比質(zhì)子－質(zhì)子對撞能節省一個(gè)大環(huán)，但也有一定的弱點(diǎn)，主要是由于盡管經(jīng)過(guò)冷卻及積累，反質(zhì)子的強度仍然比質(zhì)子的低得多，這樣使得質(zhì)子－反質(zhì)子對撞機的亮度比質(zhì)子－質(zhì)子對撞機低得多，前者最大為1029～1030cm-2·s-1,后者則為1032cm-2·s-1。電子－質(zhì)子對撞機這種對撞機的主要困難在于電子束的橫截面很小，線(xiàn)度約為幾分之一毫米，而質(zhì)子的橫截面較大，線(xiàn)度約為一厘米左右。前者束流較密集，后者較疏松，兩者相撞時(shí)作用幾率很小。
現階段的研究
目前正在研究中，實(shí)現這種對撞需建立兩個(gè)環(huán)，一個(gè)是低磁場(chǎng)的常規磁鐵環(huán)，以?xún)Υ婕凹铀匐娮樱涣硪粋€(gè)是高場(chǎng)的超導磁體環(huán)，以?xún)Υ娌⒓铀儋|(zhì)子，兩個(gè)環(huán)的半徑相同并放在同一隧道中，所以電子的能量通常是幾十吉電子伏，質(zhì)子的能量為幾百吉電子伏。
隨著(zhù)加速器技術(shù)的提高，為了節約投資，新建的巨型加速器，往往在一個(gè)隧道中建造三個(gè)環(huán)，以便可能進(jìn)行多種粒子對撞，例如質(zhì)子-質(zhì)子、質(zhì)子－反質(zhì)子，電子－正電子、質(zhì)子－電子對撞。電子直線(xiàn)對撞機為避免電子作回旋運動(dòng)時(shí)同步輻射損失引起的困難。
早在1965年已有人指出，在電子能量高于上百吉電子伏時(shí)，應采用直線(xiàn)型來(lái)進(jìn)行對撞，就是說(shuō)，應采用兩臺電子直線(xiàn)加速器加速兩股運動(dòng)方向相反的電子束（或正負電子束）待達到預定能量后，兩股電子束被引出并在某點(diǎn)相碰。碰撞一次后的電子束即被遺棄，不再重復利用。當然，只有當這些被遺棄的電子束單位時(shí)間所帶走的能量小于環(huán)形對撞機中同步輻射的損失功率，這種方案才會(huì )被考慮。另外，由于電子直線(xiàn)加速功率的限制，每秒能提供的電子束脈沖數是有限的，所以單位時(shí)間內發(fā)生的碰撞次數也比環(huán)形對撞機少得多，為了保證直線(xiàn)對撞機與環(huán)形對撞機有相同的亮度，要求在碰撞點(diǎn)的橫截面進(jìn)一步壓縮，約比環(huán)形對撞機中的碰撞截面小幾十到幾百倍，十多年來(lái)技術(shù)上的進(jìn)展，使這種對撞機受到重視，有關(guān)的各種問(wèn)題正在解決中。
工作原理
大型強子對撞機主要由一個(gè)27公里長(cháng)的超導磁體環(huán)和許多促使粒子能沿著(zhù)特定方向傳播的加速結構組成。在這個(gè)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傳播。這兩束粒子流分別通過(guò)不同光束管，向相反方向傳播，這兩根管子都處于超高真空狀態(tài)。一個(gè)強磁場(chǎng)促使它們圍繞那個(gè)加速環(huán)運行，
這個(gè)強磁場(chǎng)是利用超導電磁石獲得的。這些超導電磁石是利用特殊電纜線(xiàn)制成的，它們在超導狀態(tài)下進(jìn)行操作，有效傳導電流，沒(méi)有電阻消耗或能量損失。要達到這種結果，大約需要將磁體冷卻到零下271攝氏度，這個(gè)溫度比外太空的溫度還低。由于這個(gè)原因，大部分加速器都與一個(gè)液態(tài)氦分流系統和其他設備相連，這個(gè)液態(tài)氦分流系統是用來(lái)冷卻磁體的。
粒子對撞機
大型強子對撞機利用數千個(gè)種類(lèi)不同，型號各異的磁體，給該加速器周?chē)牧Ｗ邮敢较颉＿@些磁體中包括15米長(cháng)的1232雙極磁體和392四極磁體，1232雙極磁體被用來(lái)彎曲粒子束，392四極磁體每個(gè)都有5到7米長(cháng)，它們被用來(lái)集中粒子流。在碰撞之前，大型強子對撞機利用另一種類(lèi)型的磁體"擠壓"粒子，讓它們彼此靠的更近，以增加它們成功相撞的機會(huì )。這些粒子非常小，讓它們相撞，就如同讓從相距10公里的兩地發(fā)射出來(lái)的兩根針相撞一樣。
這個(gè)加速器、它的儀器和技術(shù)方面的基礎設施的操作器，都安裝在歐洲粒子物理研究所控制中心的同一座建筑內。在這里，大型強子對撞機內的粒子流將在加速器環(huán)周?chē)?個(gè)區域相撞，這4個(gè)區域與粒子探測器的位置相對應。
工程位置
工程耗資
工程耗資54.6億美元
歐洲核子研究中心將于10日把第一批質(zhì)子注入對撞機，開(kāi)始加速測試。這些質(zhì)子束將以反時(shí)鐘方向運動(dòng)，在測試成功的前提下，科學(xué)家可能將在一個(gè)月后注入另一道順時(shí)針?lè )较蜻\動(dòng)的質(zhì)子束，接著(zhù)讓它們正面撞擊。單束粒子流能量可達7萬(wàn)億電子伏特，迎面撞擊將產(chǎn)生巨大能量，瞬間熱度比太陽(yáng)還要熱10萬(wàn)倍。對撞機內部的四個(gè)撞擊點(diǎn)都安裝有高度精確的探測器，撞擊發(fā)生時(shí)，計算機將記錄下大爆炸的數據以及產(chǎn)生的各種物質(zhì)，世界各地10萬(wàn)余名科學(xué)家將對獲得的龐大數據進(jìn)行分析。
LHC是世界最大的粒子加速器，它建于瑞士和法國邊境地區地下100米深處的環(huán)形隧道中，隧道全長(cháng)26.659公里。隧道內將維持在-271℃的極低溫。這一溫度將會(huì )出現超導現象，使得粒子在管道中幾乎不受任何阻力，以至接近光速。對撞機從2003年開(kāi)始建造，參與該項目的有來(lái)自80多個(gè)國家和地區的2000多名科學(xué)家和工程師，整個(gè)工程耗去54.6億美元。
主要用途
將豐富人類(lèi)對宇宙了解
科學(xué)家希望，能夠在對撞機前所未有的對撞能量幫助下，制造"迷你版"宇宙大爆炸之后的瞬間狀況，探秘"希格斯玻色子"(Higgsboson)，"暗物質(zhì)"，"暗能量"等其他未解之謎。希格斯玻色子以英國物理學(xué)家彼得·希格斯名字命名，他在44年前提出，希格斯玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源以及電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎，這種粒子給其他粒子賦予了質(zhì)量，但它一直未被發(fā)現。
史蒂芬·霍金
英國著(zhù)名物理學(xué)家史蒂芬·霍金認為，LHC產(chǎn)生的能量還不足以讓科學(xué)家發(fā)現希格斯玻色子。為此他還下了100美元賭注。不過(guò)霍金表示：不管發(fā)現什么，撞擊結果將大大豐富人類(lèi)對宇宙結構的了解。
歐洲核子研究中心主管羅伯特·艾馬表示，他相信科學(xué)家將借助于這一機器獲得重大突破性發(fā)現。艾馬稱(chēng)，獲得初步實(shí)驗結果可能需要耐心等待，一次試運行足以產(chǎn)生一大堆數據，科學(xué)家需要大量時(shí)間分析。
中國計劃
2014年7月23日，在國際合作者支持下，中國科學(xué)院高能物理研究所的科學(xué)家正計劃到2028年建造一個(gè)“希格斯粒子工廠(chǎng)”。那將是一個(gè)長(cháng)52公里的地下環(huán)路，它能使正負電子發(fā)生對撞。這些基本粒子的碰撞將使得人們能以更高的精確度研究希格斯玻色子。該對撞機的精確度將高于歐洲核子研究中心規模較小的大型強子對撞機。
參考資料
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商湯在上海推出AI大裝置，徐立：“人工智能的粒子對撞機”2021-07-09T16:20:47+08:00[引用日期2022-06-10 19:54:03]
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地下百米的科學(xué)“神器”!探訪(fǎng)歐洲核子研究中心大型強子對撞機_新華社2019-09-17T12:31:29+08:00[引用日期2022-06-10 19:54:59]
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霍金承認喜歡打賭因今年諾貝爾獎輸掉100美元-中新網(wǎng)2013-11-13T10:38:00+08:00[引用日期2022-06-13 10:03:02]
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作者
