建(jian)造過程和探索微(wei)觀粒子的(de)目的(de)
大型強子(zi)對撞(zhuang)器，英文名稱(cheng)為(wei)LHC（Large Hadron Collider）是一(yi)座位(wei)于(yu)瑞士日內(nei)瓦近(jin)郊歐洲核子(zi)研究(jiu)組織CERN的粒(li)子(zi)加速(su)器與對撞(zhuang)機，作為(wei)國際高能(neng)物理學研究(jiu)之用。地(di)理坐標為(wei)北緯46°14′00″，東(dong)經6°03′00″46.23;6.05， LHC已(yi)經建造(zao)完成(cheng)。
大型強子(zi)對撞機將是(shi)(shi)(shi)世界(jie)上最大、能量最高的(de)(de)(de)粒子(zi)加(jia)速器，來自大約80個(ge)(ge)國(guo)(guo)家的(de)(de)(de)7000名科學家和(he)工(gong)程師。由40個(ge)(ge)國(guo)(guo)家建造。是(shi)(shi)(shi)一種(zhong)將質子(zi)加(jia)速對撞的(de)(de)(de)高能物理(li)設備。它是(shi)(shi)(shi)一個(ge)(ge)圓形加(jia)速器，深埋(mai)于地(di)下100米(mi)，它的(de)(de)(de)環狀隧道有 27 公里長，坐落于在瑞士日內瓦的(de)(de)(de)歐洲核子(zi)研究中心(xin)（又名歐洲粒子(zi)物理(li)實(shi)驗室(shi)），橫跨(kua)法國(guo)(guo)和(he)瑞士的(de)(de)(de)邊境。
為(wei)了節省成(cheng)本，物(wu)理學家們(men)沒有開鑿一(yi)(yi)條昂貴的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)新隧道(dao)來容納(na)新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)對(dui)撞機(ji)，而是決定拆掉原(yuan)來安置在歐洲(zhou)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核研究中(zhong)心(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)正負電子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)加速器，代(dai)之以(yi)建造大型(xing)強(qiang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)對(dui)撞機(ji)所需(xu)要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)5萬(wan)噸設備。當兩個質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)束在環(huan)形隧道(dao)中(zhong)沿著反方向運動(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)候，強(qiang)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電場(chang)(chang)使它們(men)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)急劇增加。這(zhe)(zhe)些(xie)粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)每運行(xing)一(yi)(yi)圈，就(jiu)會獲得更(geng)多的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)。要(yao)保持(chi)如此高(gao)能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)束繼續運行(xing)需(xu)要(yao)非(fei)常(chang)強(qiang)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)。這(zhe)(zhe)么強(qiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)是由冷(leng)卻到(dao)接(jie)近絕(jue)對(dui)零(ling)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)導電磁(ci)(ci)體產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)。物(wu)理學家們(men)最(zui)希(xi)望建造的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是一(yi)(yi)個30公(gong)里長的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)器，它能(neng)(neng)(neng)(neng)以(yi)至(zhi)少5千億電子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)伏的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)將電子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)正電子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)一(yi)(yi)起(qi)粉碎。 目前(qian)；對(dui)撞機(ji)已經發(fa)現(xian)了‘希(xi)格(ge)斯粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)希(xi)格(ge)斯玻色(se)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)存在，升(sheng)級(ji)后發(fa)現(xian)‘夸克奇異重子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)’五種夸克的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)‘味變’集合體存在，改(gai)造升(sheng)級(ji)能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)加大還會‘探索(suo)發(fa)現(xian)’超(chao)對(dui)稱粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和(he)希(xi)格(ge)斯耦合粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)與粒(li)(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)額外維相存在。
LHC是一個國際合(he)作的(de)(de)計劃，由(you)34個國家(jia)(jia)超過兩千位物(wu)理學家(jia)(jia)所屬(shu)的(de)(de)大(da)學與(yu)實驗室所共同出(chu)資合(he)作興建的(de)(de)。
LHC包含了一個圓(yuan)周為(wei)27公里的(de)圓(yuan)形(xing)隧道(dao)，因(yin)當地地形(xing)的(de)緣故位于地下50至(zhi)150米之間。這(zhe)是先前大(da)型(xing)電子正(zheng)子加速(su)器（LEP）所使用隧道(dao)的(de)再利用，隧道(dao)本身直徑三米，位于同一平(ping)面上，并(bing)貫穿瑞士與法(fa)國(guo)邊境，主(zhu)要的(de)部分大(da)半位于法(fa)國(guo)。雖然隧道(dao)本身位于地底下，尚有許多地面設施如(ru)冷(leng)(leng)卻壓縮機(ji)，通(tong)風設備(bei)，控制電機(ji)設備(bei)，還有冷(leng)(leng)凍(dong)槽等等建(jian)構于其上。
加速器通道中(zhong)，主要是(shi)(shi)放置(zhi)兩個質子(zi)束管(guan)(guan)。加速管(guan)(guan)由超導磁(ci)(ci)鐵所包覆，以液態氦來(lai)冷卻。管(guan)(guan)中(zhong)的(de)質子(zi)是(shi)(shi)以相(xiang)反的(de)方向，環繞(rao)著整個環型(xing)加速器運行(xing)。除此之外，在四個實驗碰撞點附近(jin)，另有安裝其他的(de)偏向磁(ci)(ci)鐵及聚焦磁(ci)(ci)鐵。
LHC加速環的(de)四(si)個碰撞點，分別設有五(wu)個偵(zhen)測(ce)(ce)器(qi)(qi)(qi)在碰撞點的(de)地穴(xue)中(zhong)。其(qi)中(zhong)超環面儀器(qi)(qi)(qi) （ATLAS）與(yu)緊湊渺子(zi)線(xian)圈（CMS）是通用(yong)型(xing)(xing)的(de)粒子(zi)偵(zhen)測(ce)(ce)器(qi)(qi)(qi)。其(qi)他三個（LHC底夸(kua)克偵(zhen)測(ce)(ce)器(qi)(qi)(qi)（LHCb），大型(xing)(xing)離子(zi)對撞器(qi)(qi)(qi)（ALICE）以(yi)及(ji)全截面彈性散射(she)偵(zhen)測(ce)(ce)器(qi)(qi)(qi)（TOTEM）則是較小型(xing)(xing)的(de)特殊(shu)目標偵(zhen)測(ce)(ce)器(qi)(qi)(qi)。
1994年，大型強子(zi)對(dui)撞機(ji)項(xiang)目(mu)立(li)項(xiang)后，林恩·埃文斯(si)理所當然地(di)就成為了(le)這個耗資百億(yi)美元的(de)項(xiang)目(mu)的(de)負責人。對(dui)撞機(ji)從設計到(dao)建(jian)造，都由他(ta)全權負責。14年后，在(zai)瑞士和法國交界地(di)區地(di)下100米深(shen)處的(de)周長為27公里(li)的(de)環形隧(sui)道(dao)里(li)，埃文斯(si)和全球80多個國家近萬名(ming)科學家的(de)心血結晶——大型強子(zi)對(dui)撞機(ji)正式建(jian)成。
在2005年10月(yue)25日，因為(wei)起重機載貨(huo)的(de)意(yi)外(wai)掉落，造成(cheng)一位技術人員的(de)喪生。
2007年3月27日，由費米實驗室(shi)所負責建造(zao)，一(yi)個用于 LHC 內部的(de)三極(ji)低溫(wen)超導磁鐵（屬(shu)于聚焦用四極(ji)磁鐵），因為支撐(cheng)架的(de)設(she)計不(bu)良，在(zai)壓力(li)測試(shi)時發生破損。雖(sui)然沒(mei)有造(zao)成人員的(de)傷(shang)亡，但是(shi)卻嚴重影響了 LHC 開(kai)始運作的(de)時程(cheng)。
2008年(nian)6月15日(ri)，在埃(ai)(ai)文(wen)斯(si)的(de)退休儀式上，這6位主任紛紛親(qin)自出面(mian)或通過視頻(pin)向他致以敬意。他們還(huan)聯合(he)簽署了一份文(wen)件，將大型強子對撞機以林恩·埃(ai)(ai)文(wen)斯(si)的(de)名(ming)字命名(ming)，并制作了一個對撞機偶極子的(de)小模型贈送給(gei)埃(ai)(ai)文(wen)斯(si)。
2008年9月(yue)10日，對(dui)撞機初次啟動進(jin)行測試(shi)。埃文斯將(jiang)手指放在鼠(shu)標上，親(qin)自點擊啟動了首(shou)次測試(shi)。這(zhe)次測試(shi)是研究人員將(jiang)一個質子束以順(shun)時(shi)針方向(xiang)(xiang)注入到加(jia)速器中(zhong)，讓其加(jia)速到99.9998%光速的超(chao)快速度(du)，從而使此(ci)質子束在全長27公里的環形隧(sui)道中(zhong)以每秒11245圈的速度(du)狂(kuang)飆。這(zhe)一幕通過(guo)網絡視頻向(xiang)(xiang)世界進(jin)行了直播，還有(you)300多名記者來到此(ci)實驗室目(mu)睹(du)測試(shi)過(guo)程(cheng)。
2008年9月19日，LHC，第三(san)(san)與第四段(duan)之間(jian)，用來冷(leng)卻(que)超(chao)導(dao)磁(ci)鐵的(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)態氦，發生(sheng)了(le)嚴(yan)重的(de)(de)(de)(de)(de)泄(xie)漏(lou)。據推測是由于聯接兩個(ge)超(chao)導(dao)磁(ci)鐵的(de)(de)(de)(de)(de)接點接觸不良，在超(chao)導(dao)高電流的(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)況下融毀(hui)所造(zao)成的(de)(de)(de)(de)(de)。依(yi)據CERN的(de)(de)(de)(de)(de)安全條(tiao)例，必(bi)需(xu)將磁(ci)鐵升回到室溫后詳細檢查才能繼續運(yun)轉，這將需(xu)要三(san)(san)到四周(zhou)的(de)(de)(de)(de)(de)時間(jian)。要再冷(leng)卻(que)回運(yun)作(zuo)溫度，也(ye)是得經(jing)過三(san)(san)四周(zhou)的(de)(de)(de)(de)(de)時間(jian)，如此(ci)正好遇上預定的(de)(de)(de)(de)(de)年度檢修(xiu)時程，因此(ci)要開始(shi)運(yun)作(zuo)將可(ke)能延遲(chi)至2009年春天。
2008年(nian)10月16日，CERN發布了關于液態氦泄(xie)漏事件的調查(cha)分析，證實了先前推測的為(wei)兩超導磁鐵間接點不(bu)良所造成的。由于安(an)全條例確實地實行、安(an)全設計皆(jie)有(you)正常工作、并且替換用的零件都有(you)庫(ku)存，預期2009年(nian)6月重啟。
2008年9月10日下午15：30正式開始運作，成為世界上(shang)最大(da)的粒子加速器(qi)設施。
2008年9月19日，LHC第三與第四段之間，用來冷卻超導磁鐵的(de)液態(tai)氦，發(fa)生了嚴重的(de)泄漏(lou)，導致(zhi)對撞(zhuang)機暫停運轉(zhuan)。
自(zi)大約80個國家(jia)的7000名科學家(jia)和工(gong)程師(shi)參與(yu)了該(gai)項目。
60余(yu)名(ming)中(zhong)(zhong)國科(ke)(ke)學(xue)家（其中(zhong)(zhong)近四十人為臺灣(wan)科(ke)(ke)學(xue)家）參(can)(can)(can)與(yu)強子對撞機實(shi)(shi)驗。四個主要(yao)實(shi)(shi)驗均有中(zhong)(zhong)國科(ke)(ke)研(yan)單位和高(gao)校參(can)(can)(can)與(yu)，分別(bie)為：中(zhong)(zhong)科(ke)(ke)院高(gao)能(neng)物(wu)理研(yan)究所(suo)、中(zhong)(zhong)國科(ke)(ke)技大(da)學(xue)、山東大(da)學(xue)、南京(jing)大(da)學(xue)參(can)(can)(can)與(yu)ATLAS實(shi)(shi)驗；中(zhong)(zhong)科(ke)(ke)院高(gao)能(neng)物(wu)理研(yan)究所(suo)、北(bei)京(jing)大(da)學(xue)參(can)(can)(can)與(yu)CMS實(shi)(shi)驗；華中(zhong)(zhong)師范大(da)學(xue)參(can)(can)(can)與(yu)ALICE實(shi)(shi)驗；清華大(da)學(xue)參(can)(can)(can)與(yu)LHCb實(shi)(shi)驗。
大型強子對撞機（LHC）是(shi)歐洲粒子物理研究所(CERN）的(de)加速器復(fu)合體的(de)最新補(bu)充。
在這(zhe)(zhe)個(ge)加速器(qi)里(li)面(mian)，2束(shu)高能(neng)粒子(zi)流在彼此相撞之(zhi)前，以接近光速的速度(du)向(xiang)(xiang)前傳(chuan)(chuan)(chuan)播。這(zhe)(zhe)兩束(shu)粒子(zi)流分(fen)別通過不同光束(shu)管，向(xiang)(xiang)相反方(fang)向(xiang)(xiang)傳(chuan)(chuan)(chuan)播，這(zhe)(zhe)兩根(gen)管子(zi)都處于超(chao)(chao)(chao)高真空狀態(tai)。一(yi)個(ge)強磁(ci)場促使它(ta)們圍繞那(nei)個(ge)加速環(huan)運行，這(zhe)(zhe)個(ge)強磁(ci)場是(shi)利用(yong)(yong)超(chao)(chao)(chao)導(dao)電磁(ci)石獲得(de)的。這(zhe)(zhe)些超(chao)(chao)(chao)導(dao)電磁(ci)石是(shi)利用(yong)(yong)特(te)殊(shu)電纜線制(zhi)成的，它(ta)們在超(chao)(chao)(chao)導(dao)狀態(tai)下進行操作，有(you)效傳(chuan)(chuan)(chuan)導(dao)電流，沒有(you)電阻消(xiao)耗(hao)或能(neng)量(liang)損失(shi)。要達(da)到這(zhe)(zhe)種結果(guo)，大約需要將磁(ci)體冷卻(que)(que)到零下271℃，這(zhe)(zhe)個(ge)溫度(du)比(bi)外太(tai)空的溫度(du)還低。由于這(zhe)(zhe)個(ge)原因，大部分(fen)加速器(qi)都與一(yi)個(ge)液態(tai)氦分(fen)流系統(tong)和其他設備相連(lian)，這(zhe)(zhe)個(ge)液態(tai)氦分(fen)流系統(tong)是(shi)用(yong)(yong)來冷卻(que)(que)磁(ci)體的。
大型(xing)強(qiang)子(zi)(zi)(zi)對撞(zhuang)機利(li)用(yong)(yong)(yong)數(shu)千個種類不同，型(xing)號(hao)各(ge)異的(de)(de)磁體(ti)，給該加速器周(zhou)圍的(de)(de)粒子(zi)(zi)(zi)束指(zhi)引方向。這(zhe)些(xie)磁體(ti)中包括15米(mi)長的(de)(de)1232雙(shuang)極(ji)(ji)(ji)磁體(ti)和(he)392四(si)極(ji)(ji)(ji)磁體(ti)，1232雙(shuang)極(ji)(ji)(ji)磁體(ti)被用(yong)(yong)(yong)來彎曲粒子(zi)(zi)(zi)束，392四(si)極(ji)(ji)(ji)磁體(ti)每個都有(you)5到7米(mi)長，它(ta)(ta)們(men)被用(yong)(yong)(yong)來集中粒子(zi)(zi)(zi)流。在碰撞(zhuang)之前，大型(xing)強(qiang)子(zi)(zi)(zi)對撞(zhuang)機利(li)用(yong)(yong)(yong)另一種類型(xing)的(de)(de)磁體(ti)“擠壓”粒子(zi)(zi)(zi)，讓(rang)它(ta)(ta)們(men)彼此靠的(de)(de)更近，以增加它(ta)(ta)們(men)成功相(xiang)(xiang)撞(zhuang)的(de)(de)機會。這(zhe)些(xie)粒子(zi)(zi)(zi)非常小，讓(rang)它(ta)(ta)們(men)相(xiang)(xiang)撞(zhuang)，就(jiu)如(ru)同讓(rang)從相(xiang)(xiang)距10公里的(de)(de)兩地發射出來的(de)(de)兩根針相(xiang)(xiang)撞(zhuang)一樣(yang)。
這個(ge)(ge)加速器、它的(de)儀器和技(ji)術方面的(de)基(ji)礎(chu)設施(shi)的(de)操作器，都(dou)安裝在(zai)歐(ou)洲粒子(zi)(zi)物理研究所控制中心的(de)同一座(zuo)建筑內。在(zai)這里，大(da)型強子(zi)(zi)對撞(zhuang)機內的(de)粒子(zi)(zi)流將在(zai)加速器環周(zhou)圍的(de)4個(ge)(ge)區(qu)域相撞(zhuang)，這4個(ge)(ge)區(qu)域與粒子(zi)(zi)探測器的(de)位置相對應。
兩(liang)個(ge)對撞加速管中(zhong)的(de)(de)(de)質子(zi)，各具有(you)的(de)(de)(de)能量為(wei)(wei) 7 TeV （兆兆電子(zi)伏(fu)特），總撞擊能量達 14 TeV之譜。每(mei)個(ge)質子(zi)環繞整個(ge)儲存(cun)環的(de)(de)(de)時間為(wei)(wei) 89 微秒(miao)（microsecond）。因(yin)為(wei)(wei)同步(bu)加速器(qi)(qi)的(de)(de)(de)特性，加速管中(zhong)的(de)(de)(de)粒(li)子(zi)是以粒(li)子(zi)團（bunch）的(de)(de)(de)形式，而非連續的(de)(de)(de)粒(li)子(zi)流。整個(ge)儲存(cun)環將會(hui)有(you)2800個(ge)粒(li)子(zi)團，最(zui)短碰撞周期為(wei)(wei) 25 納秒(miao)（nanosecond）。在加速器(qi)(qi)開始運(yun)作的(de)(de)(de)初期，將會(hui)以軌道中(zhong)放(fang)入較少(shao)的(de)(de)(de)粒(li)子(zi)團的(de)(de)(de)方式運(yun)作，碰撞周期為(wei)(wei) 75 納秒(miao)，再逐步(bu)提升到(dao)設計目標(biao)。
在(zai)粒子(zi)(zi)入(ru)射到(dao)主(zhu)加(jia)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)環(huan)之(zhi)前，會先經過一系列加(jia)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)設(she)施，逐級提升能量(liang)(liang)。其中，由兩個直線加(jia)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)器所(suo)構成的(de)質(zhi)子(zi)(zi)同(tong)(tong)步加(jia)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)器 （PS）將產(chan)生50 MeV的(de)能量(liang)(liang)，接著質(zhi)子(zi)(zi)同(tong)(tong)步推進器 （PSB）提升能量(liang)(liang)到(dao)1.4GeV。而質(zhi)子(zi)(zi)同(tong)(tong)步加(jia)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)環(huan)可達到(dao)26 GeV的(de)能量(liang)(liang)。低能量(liang)(liang)入(ru)射環(huan)（LEIR）為一離(li)子(zi)(zi)儲存(cun)與冷卻的(de)裝置。反物質(zhi)減速(su)(su)(su)(su)(su)(su)器 （AD）可以將3.57 GeV的(de)反質(zhi)子(zi)(zi)，減速(su)(su)(su)(su)(su)(su)到(dao)2 GeV。最后(hou)超級質(zhi)子(zi)(zi)同(tong)(tong)步加(jia)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)器(SPS）可提升質(zhi)子(zi)(zi)的(de)能量(liang)(liang)到(dao)450 GeV。
LHC也(ye)可(ke)(ke)以用(yong)來(lai)加(jia)速對(dui)撞(zhuang)重(zhong)離(li)子(zi)(zi)，例如鉛（Pb）離(li)子(zi)(zi)可(ke)(ke)加(jia)速到1150 TeV。由于LHC有著對(dui)工程技術上(shang)極端的(de)(de)挑戰，安全上(shang)的(de)(de)確(que)保是(shi)極其(qi)重(zhong)要的(de)(de)。當LHC開始運作(zuo)時(shi)，磁鐵中的(de)(de)總(zong)能(neng)量(liang)高達(da)100億焦耳（GJ），而(er)粒子(zi)(zi)束中的(de)(de)總(zong)能(neng)量(liang)也(ye)高達(da)725百萬焦耳（MJ）。只(zhi)需要10?7總(zong)粒子(zi)(zi)能(neng)量(liang)便(bian)可(ke)(ke)以使超導磁鐵脫離(li)超導態，而(er)丟(diu)棄全部的(de)(de)加(jia)速粒子(zi)(zi)可(ke)(ke)相當于一個小型的(de)(de)爆炸。
林恩·埃文斯(Lyn Evans)，歐(ou)洲大型強子對(dui)撞(zhuang)機的領導者(zhe)。是威爾士(shi)一(yi)位(wei)礦工的兒子，在阿布(bu)戴爾(Aberdare)中學時就對(dui)科學萌發了興(xing)趣，獲得了英國斯旺西大學的物(wu)理學博士(shi)學位(wei)。
1969年(nian)，他花3個(ge)月時間訪問了歐洲核子(zi)物理研究組(zu)織(zhi)（CERN）項目。從此，他和妻子(zi)以(yi)及(ji)家人(ren)就(jiu)定(ding)居在這里。65歲的(de)威爾士人(ren)林恩·埃文斯大概可(ke)以(yi)算得上是這個(ge)世界(jie)上對“爆炸”最(zui)執著的(de)人(ren)了。從小就(jiu)愛用各種化學物質搗(dao)鼓點小爆炸的(de)他，長大后又對宇宙大爆炸產生了興趣。
為了(le)模擬宇宙(zhou)(zhou)大爆(bao)炸，解開(kai)宇宙(zhou)(zhou)之謎，他(ta)(ta)一(yi)手(shou)“策(ce)劃”了(le)堪稱世界上最大科學實驗的歐(ou)洲大型強(qiang)子(zi)對撞機（LHC）項目(mu)。從(cong)設(she)計，建造，到(dao)實驗，埃文(wen)斯已經一(yi)路伴隨這個(ge)(ge)(ge)項目(mu)走過(guo)了(le)近16個(ge)(ge)(ge)年頭。5個(ge)(ge)(ge)月前正(zheng)式從(cong)歐(ou)洲核子(zi)研究中(zhong)心(xin)（CERN）退(tui)休后，埃文(wen)斯漸(jian)漸(jian)放(fang)慢了(le)工作節奏，但(dan)他(ta)(ta)依(yi)然沒有離(li)開(kai)LHC項目(mu)。盡管不再擔任(ren)項目(mu)負責人，他(ta)(ta)在(zai)CMS（緊湊繆子(zi)線圈）實驗小組中(zhong)仍然擔任(ren)著重要(yao)工作。
歐洲(zhou)核(he)子研(yan)究中心(xin)于(yu)2008年9月10日啟(qi)動(dong)大型強子對撞機（LHC）。這個世界上最大的機器，有望揭開宇宙起(qi)源的奧秘在內五(wu)大謎團。
過去幾十年來，物理學家不(bu)斷在(zai)細節上加(jia)深對(dui)構成宇(yu)宙的(de)基本(ben)粒(li)子(zi)(zi)及其交互作(zuo)用的(de)了解(jie)。了解(jie)的(de)加(jia)深讓粒(li)子(zi)(zi)物理學的(de)“標準模型”變得更(geng)為豐(feng)滿(man)，但這(zhe)(zhe)個(ge)模型中仍存(cun)在(zai)縫隙，以至(zhi)于我們無(wu)法(fa)繪制一(yi)幅完整的(de)圖畫(hua)。為了幫(bang)助科學家揭示粒(li)子(zi)(zi)物理學上這(zhe)(zhe)些關鍵性的(de)未解(jie)之謎，需要大(da)量實驗數據(ju)支持，大(da)型強子(zi)(zi)對(dui)撞機便擔負(fu)起“數據(ju)提供者”的(de)角色，這(zhe)(zhe)也是非常重要的(de)一(yi)個(ge)步驟。大(da)型強子(zi)(zi)對(dui)撞機能夠將兩(liang)束質子(zi)(zi)加(jia)速到空前的(de)能量狀(zhuang)態(tai)而后發生相撞，此時的(de)撞擊可能帶來意想不(bu)到的(de)結果(guo)，絕對(dui)是任何人都(dou)無(wu)法(fa)想象的(de)。
牛頓未(wei)完成的工作——什么是質量？
質量(liang)的(de)起(qi)源(yuan)是什么？為什么微(wei)小粒子(zi)擁有(you)質量(liang)，而其(qi)它一些粒子(zi)卻(que)沒有(you)這(zhe)種(zhong)“待遇(yu)”？對于這(zhe)些問題，科學(xue)家到現在(zai)(zai)也(ye)沒有(you)找(zhao)到一個(ge)確切(qie)答案。最(zui)有(you)可能的(de)解釋(shi)似(si)乎可以在(zai)(zai)希(xi)格(ge)斯玻色(se)子(zi)身上(shang)找(zhao)到。希(xi)格(ge)斯玻色(se)子(zi)是“標準模(mo)型(xing)”這(zhe)一粒子(zi)物理學(xue)理論中最(zui)后一種(zhong)尚未被發現的(de)粒子(zi)，它的(de)存(cun)在(zai)(zai)是整個(ge)“標準模(mo)型(xing)”的(de)基石(shi)。早在(zai)(zai)1964年(nian)，蘇格(ge)蘭(lan)物理學(xue)家彼得·希(xi)格(ge)斯(Peter Higgs）便(bian)首次(ci)預言存(cun)在(zai)(zai)這(zhe)種(zhong)粒子(zi)，科學(xue)家多次(ci)通過這(zhe)臺機器觀測到這(zhe)種(zhong)粒子(zi)。
ATLAS和CMS實驗將積極尋找這種難于捉摸的粒子存在跡(ji)象。
一個(ge)“看不見(jian)”的問題——96%的宇宙由(you)什么構成？
我們在(zai)宇宙中看到的一切——從(cong)小螞蟻到巨大(da)的星系——都是由普通(tong)粒(li)子(zi)構(gou)成(cheng)的。這些(xie)粒(li)子(zi)被統稱為物質，它(ta)們構(gou)成(cheng)了(le)4%的宇宙。余(yu)下的部分據信由暗物質——不(bu)發光的物質和(he)暗能量構(gou)成(cheng)，它(ta)們對于整個宇宙的構(gou)成(cheng)與(yu)運行(xing)有著極其重要的作(zuo)用。對它(ta)們進行(xing)探(tan)測和(he)研究的難度不(bu)可想象。研究暗物質和(he)暗能量的性質是當今粒(li)子(zi)物理學和(he)宇宙學面(mian)臨的最大(da)挑(tiao)戰(zhan)之(zhi)一。
ATLAS和CMS實驗將(jiang)尋找超級對稱的粒子，用于驗證一種與暗物質構成有關的假設。
大自然的偏好(hao)——為什么(me)找不(bu)到反物質(zhi)？
我們(men)(men)生(sheng)(sheng)(sheng)活(huo)在一(yi)個由物(wu)(wu)質構(gou)成的世界(jie)，宇宙(zhou)(zhou)萬物(wu)(wu)——包括我們(men)(men)人類在內都是由物(wu)(wu)質構(gou)成的。反(fan)物(wu)(wu)質就(jiu)像物(wu)(wu)質的一(yi)個孿(luan)生(sheng)(sheng)(sheng)兄(xiong)弟(di)，但(dan)它(ta)(ta)卻(que)(que)攜(xie)帶相反(fan)電(dian)荷。在宇宙(zhou)(zhou)誕生(sheng)(sheng)(sheng)時，“大(da)爆炸”產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)了相同數量(liang)的物(wu)(wu)質和反(fan)物(wu)(wu)質。然而(er)，一(yi)旦這(zhe)對孿(luan)生(sheng)(sheng)(sheng)兄(xiong)弟(di)碰面，它(ta)(ta)們(men)(men)就(jiu)會“同歸于盡”，并(bing)最終轉(zhuan)換成能量(liang)。不(bu)知何故(gu)，少量(liang)物(wu)(wu)質幸存(cun)下(xia)來，并(bing)形成我們(men)(men)現在生(sheng)(sheng)(sheng)活(huo)的宇宙(zhou)(zhou)，而(er)它(ta)(ta)的孿(luan)生(sheng)(sheng)(sheng)兄(xiong)弟(di)反(fan)物(wu)(wu)質卻(que)(que)幾乎消失得(de)無(wu)影無(wu)蹤。為什么(me)大(da)自然不(bu)能一(yi)碗水(shui)端平(ping)，平(ping)等對待這(zhe)對孿(luan)生(sheng)(sheng)(sheng)兄(xiong)弟(di)呢(ni)？
LHCb實(shi)驗(yan)將尋(xun)找(zhao)物(wu)(wu)質(zhi)與反(fan)物(wu)(wu)質(zhi)之間的(de)差異，幫助解(jie)釋大自然為何如此偏(pian)向。此前(qian)的(de)實(shi)驗(yan)已經觀察(cha)到兩者之間的(de)些(xie)許不同，但迄今為止(zhi)的(de)研究發現還(huan)不足以(yi)解(jie)釋宇(yu)宙中的(de)物(wu)(wu)質(zhi)和暗物(wu)(wu)質(zhi)為何在數量(liang)上呈現出明顯的(de)不均衡。
“大爆炸”的(de)秘(mi)密——物質在宇宙誕生后的(de)第一秒呈什么狀態？
構成(cheng)宇(yu)宙(zhou)(zhou)萬物(wu)的(de)(de)(de)物(wu)質(zhi)據信來源于(yu)一(yi)(yi)系列密集而(er)(er)熾熱的(de)(de)(de)基本粒子(zi)。現在宇(yu)宙(zhou)(zhou)中的(de)(de)(de)普通物(wu)質(zhi)由原(yuan)子(zi)構成(cheng)，原(yuan)子(zi)擁有一(yi)(yi)個(ge)(ge)由質(zhi)子(zi)和中子(zi)構成(cheng)的(de)(de)(de)核子(zi)，質(zhi)子(zi)和中子(zi)都(dou)是被稱之(zhi)為“膠子(zi)”的(de)(de)(de)其它粒子(zi)束縛夸克形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)。這種(zhong)束縛非常強(qiang)大，但在最(zui)初(chu)的(de)(de)(de)宇(yu)宙(zhou)(zhou)，由于(yu)溫(wen)度極高(gao)加(jia)之(zhi)能量巨大，膠子(zi)很(hen)難將夸克結合在一(yi)(yi)起。也(ye)就(jiu)是說，這種(zhong)束縛似乎是在“大爆炸”發生后的(de)(de)(de)最(zui)初(chu)幾微秒內(nei)形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)，此(ci)時的(de)(de)(de)宇(yu)宙(zhou)(zhou)擁有一(yi)(yi)個(ge)(ge)由夸克和膠子(zi)構成(cheng)的(de)(de)(de)非常熾熱而(er)(er)密集的(de)(de)(de)混合物(wu)，也(ye)就(jiu)是所說的(de)(de)(de)“夸克-膠子(zi)等離子(zi)體(ti)”。
ALICE實驗將利用(yong)大型強(qiang)子(zi)對撞(zhuang)機模擬(ni)大爆炸發(fa)生后的原始宇(yu)宙(zhou)形態，分析夸克-膠子(zi)等離子(zi)體的性質。
隱藏(zang)的(de)世界——空間(jian)的(de)額外維度真的(de)存在嗎？
根據(ju)愛因斯坦廣義相對論(lun)，人類生存的(de)三維(wei)(wei)空(kong)間(jian)加上時間(jian)軸(zhou)即構成所謂四(si)維(wei)(wei)時空(kong)。后來的(de)理論(lun)認為，可能存在(zai)(zai)擁有(you)隱藏維(wei)(wei)度(du)的(de)空(kong)間(jian)。弦(xian)理論(lun)便(bian)暗示(shi)額(e)外的(de)空(kong)間(jian)維(wei)(wei)度(du)尚未被人類觀察到(dao)，它們(men)似乎會在(zai)(zai)高(gao)能條件下顯現出來。基(ji)于這種(zhong)推測(ce)，科(ke)學家將對所有(you)探測(ce)器獲得的(de)數(shu)據(ju)進行仔細分(fen)析(xi)，以尋找(zhao)額(e)外維(wei)(wei)度(du)存在(zai)(zai)跡(ji)象。
物理(li)學家希(xi)望借(jie)由加速器對撞機(ji)來幫助他們解答下列的(de)問題：
標(biao)準模(mo)型中所(suo)流行(xing)的造成基本粒(li)子質量的希格斯機(ji)制是真實的嗎？
真是如(ru)此的(de)話，希格斯粒子有多少(shao)種，質量又分(fen)別是多少(shao)呢？
當重(zhong)子(zi)的(de)質量被更精確的(de)測量時，標準模型是否仍然成(cheng)立(li)的(de)？
粒(li)子(zi)是否有相對(dui)應的超(chao)對(dui)稱（SUSY）粒(li)子(zi)存在？
為(wei)何物(wu)質(zhi)與反物(wu)質(zhi)是(shi)不對稱(cheng)的？
有更高維度的空間（Kaluza-Kleintheory,extradimensions）存在嗎？
我們(men)可以見到這啟發(fa)弦(xian)論的現(xian)象嗎？
宇宙(zhou)有96%的(de)質量是天文學上(shang)無法(fa)觀測到的(de)，這(zhe)些(xie)到底是什么？
為何萬有(you)引力比起其他三(san)個基本作(zuo)(zuo)用力（電磁力，強作(zuo)(zuo)用力，弱作(zuo)(zuo)用力）差了這(zhe)么(me)多個數量級？
重離子對撞機
雖然(ran)LHC的(de)物理(li)實(shi)(shi)(shi)驗計劃，著重于(yu)研究質子(zi)對撞后的(de)現象。然(ran)而(er)，短期的(de)如每(mei)年一個月(yue)的(de)重離子(zi)對撞也在實(shi)(shi)(shi)驗計劃之中(zhong)。雖然(ran)其他較輕的(de)離子(zi)對撞實(shi)(shi)(shi)驗也是可行的(de)，主要的(de)規劃為(wei)鉛離子(zi)的(de)對撞實(shi)(shi)(shi)驗。
世界上最大的機器
大型強子(zi)對撞(zhuang)機(ji)的(de)(de)(de)精(jing)確周(zhou)長(chang)是(shi)(shi)2.6659萬(wan)米，內部總共有(you)9300個磁體(ti)。大型強子(zi)對撞(zhuang)機(ji)不僅(jin)(jin)是(shi)(shi)世界上最大的(de)(de)(de)粒子(zi)加速器，而且僅(jin)(jin)它(ta)的(de)(de)(de)制(zhi)冷分配系統(tong)（cryogenic distribution system）的(de)(de)(de)八分之一，就稱得上是(shi)(shi)世界上最大的(de)(de)(de)制(zhi)冷機(ji)。制(zhi)冷分配系統(tong)在充滿近60噸液態氦，將所有(you)磁體(ti)都冷卻(que)到零(ling)(ling)下(xia)(xia)271.3℃（1.9開氏度）前，它(ta)將先利(li)用1.008萬(wan)噸液態氮(dan)將這(zhe)些磁體(ti)的(de)(de)(de)溫度降低到零(ling)(ling)下(xia)(xia)193.2℃。
世界上最快的跑道
功率(lv)達到最大時，數(shu)萬億個(ge)質子(zi)將在大型強子(zi)對(dui)撞(zhuang)機(ji)周圍的加速(su)(su)器環內(nei)以(yi)(yi)每秒(miao)1.1245萬次的頻率(lv)急(ji)速(su)(su)穿(chuan)行(xing)，它們的速(su)(su)度是光(guang)速(su)(su)的99.9999991%。兩束質子(zi)束分別以(yi)(yi)70000億電子(zi)伏特的最大功率(lv)相向而行(xing)，在功率(lv)達到140000億電子(zi)伏特時發生碰(peng)撞(zhuang)。每秒(miao)總共能發生大約6億次撞(zhuang)擊。
太陽系中最空的空間
為了避免加速器中的粒子束與空氣分子相撞，這些(xie)粒子(zi)束在像行星間的空(kong)間一樣(yang)空(kong)蕩的超(chao)真空(kong)環境(jing)中穿行。大型強子(zi)對撞(zhuang)機的內壓是10^（-13）（10的負13次方）個(ge)大氣(qi)壓，比月球(qiu)上的壓力小10倍。
銀河系最熱點
大型強子對撞(zhuang)機(ji)(ji)是一個(ge)(ge)極(ji)熱(re)和極(ji)冷并存的(de)(de)機(ji)(ji)器(qi)。當兩(liang)束質子束相(xiang)撞(zhuang)時，它們將在(zai)(zai)一個(ge)(ge)極(ji)小的(de)(de)空間內產(chan)生比(bi)太陽中心熱(re)10萬倍的(de)(de)高(gao)溫(wen)。與之相(xiang)比(bi)，促(cu)使超流體氦(hai)在(zai)(zai)加速器(qi)環(huan)周圍循環(huan)的(de)(de)制冷分配系(xi)統(tong)，讓大型強子對撞(zhuang)機(ji)(ji)保持(chi)在(zai)(zai)零下271.3℃（1.9開氏度(du)）的(de)(de)超低溫(wen)環(huan)境下，這個(ge)(ge)溫(wen)度(du)比(bi)外(wai)太空的(de)(de)溫(wen)度(du)還低。
史上最先進的探測器
為了(le)抽(chou)樣檢查和(he)(he)記(ji)(ji)錄(lu)每(mei)秒(miao)多達6億次的(de)(de)質子(zi)(zi)相撞結果，物(wu)理(li)學家和(he)(he)工程師已(yi)經制造了(le)測(ce)(ce)量粒(li)子(zi)(zi)的(de)(de)精確(que)(que)度是(shi)微米的(de)(de)龐大(da)儀器(qi)。大(da)型強子(zi)(zi)對撞機的(de)(de)探測(ce)(ce)器(qi)擁有先(xian)進的(de)(de)電子(zi)(zi)觸發(fa)系(xi)統，它(ta)測(ce)(ce)量粒(li)子(zi)(zi)經過時所用時間的(de)(de)精確(que)(que)度，大(da)約是(shi)十(shi)億分(fen)(fen)之一(yi)秒(miao)。這(zhe)個觸發(fa)系(xi)統在確(que)(que)定粒(li)子(zi)(zi)的(de)(de)位置時，精確(que)(que)度可達百萬分(fen)(fen)之一(yi)米。這(zhe)種(zhong)令(ling)人難(nan)以(yi)置信(xin)的(de)(de)快速和(he)(he)精確(que)(que)反應，是(shi)確(que)(que)保一(yi)個探測(ce)(ce)器(qi)連續層(ceng)內記(ji)(ji)錄(lu)的(de)(de)粒(li)子(zi)(zi)保持一(yi)致的(de)(de)基(ji)礎。
世界最強大計算機系統
記錄(lu)大(da)型強(qiang)子對撞(zhuang)機進(jin)行的(de)每(mei)項大(da)試驗的(de)數據，每(mei)年(nian)大(da)約足(zu)夠刻(ke)10億(yi)張雙面DVD光(guang)盤(pan)。據估計，大(da)型強(qiang)子對撞(zhuang)機的(de)壽命是15年(nian)。為了讓世界(jie)各地的(de)數千名科學家在未來15年(nian)內通(tong)力合作，分析這些數據，分布在世界(jie)各地的(de)好幾萬臺電腦將利用一種被稱作網格的(de)分散式計算網（distributed computing network）實施研究工作。
世界各地的數千名科學家都希(xi)望了解并分(fen)析(xi)這些數據。為(wei)了解決這個(ge)問題，目前歐洲(zhou)粒(li)子(zi)(zi)物(wu)理研究所(suo)（CERN）正在(zai)(zai)建(jian)一個(ge)分(fen)散的計(ji)算和數據儲(chu)存設施——大(da)(da)型強子(zi)(zi)對(dui)撞(zhuang)機計(ji)算網格(ge)(ge)（LCG）。大(da)(da)型強子(zi)(zi)對(dui)撞(zhuang)機實(shi)驗產生的數據，將通過歐洲(zhou)粒(li)子(zi)(zi)物(wu)理研究所(suo)記錄在(zai)(zai)磁帶進行原始文件備份后，再分(fen)發(fa)到世界各地。經過初(chu)始加工，這種(zhong)數據將被傳(chuan)送到可為(wei)大(da)(da)量數據提(ti)供充(chong)足儲(chu)存空間的一系列大(da)(da)型計(ji)算機中(zhong)心，這些計(ji)算機中(zhong)心一天二十四小時不(bu)停地為(wei)大(da)(da)型強子(zi)(zi)對(dui)撞(zhuang)機計(ji)算網格(ge)(ge)提(ti)供服務。
中(zhong)國(guo)臺(tai)灣也(ye)參(can)與(yu)其(qi)中(zhong)，負(fu)責其(qi)中(zhong)兩(liang)項(xiang)重要系統的(de)研發，并處(chu)(chu)理龐(pang)(pang)大實(shi)驗(yan)數(shu)據(ju)。亞(ya)洲唯一(yi)的(de)電(dian)腦中(zhong)心就設在臺(tai)灣的(de)中(zhong)研院。這(zhe)(zhe)次臺(tai)灣約有40名科學家參(can)與(yu)這(zhe)(zhe)項(xiang)國(guo)際(ji)實(shi)驗(yan)，負(fu)責世界上最(zui)大與(yu)最(zui)重的(de)偵測器研發，而且處(chu)(chu)理龐(pang)(pang)大實(shi)驗(yan)數(shu)據(ju)所倚賴的(de)「網格電(dian)腦」就設在臺(tai)灣的(de)中(zhong)研院。
經過(guo)這些計算(suan)機(ji)中(zhong)心(xin)的處(chu)理，其他設(she)備(bei)就可(ke)(ke)使用這些數據了，其他的設(she)備(bei)每個(ge)都有(you)一個(ge)或幾個(ge)實施特殊分析任務的聯合計算(suan)機(ji)中(zhong)心(xin)組成。當個(ge)科學(xue)家可(ke)(ke)通過(guo)大學(xue)部門的局域網(wang)或個(ge)人電腦了解這些設(she)備(bei)，這些人可(ke)(ke)能會經常查看大型(xing)強(qiang)子(zi)對(dui)撞(zhuang)機(ji)計算(suan)網(wang)格。
2014年7月，中(zhong)國北京高能物理(li)研究所正在籌備(bei)一個(ge)兩倍于LHC的(de)環形粒子對撞機。
中國將(jiang)要修建(jian)的對(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)機周(zhou)長達(da)到了52公里，對(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)能(neng)量高達(da)70 TeV。按計劃，中國的對(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)機將(jiang)在初期階段只針對(dui)(dui)電子，且對(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)能(neng)量僅有能(neng)量240 GeV，而(er)后期則逐漸開(kai)足(zu)馬力進行質子對(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)。
預計(ji)中國的對撞機將在2028年(nian)投入(ru)使(shi)用，耗資30億美(mei)元，目前尚(shang)不(bu)清楚(chu)這是否是一個與(yu)國外同行攜手進(jin)行的聯合(he)項目。
你猜我猜不猜
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