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关于设计和实验原理。。。这个问题是不是可以开一门4学分的研究生课啊。。。这里简单说一下吧。作为一个大四的学生,我完全不敢说自己真正明白,仅仅是希望能让更多的人了解看起来很神秘的高能物理和对撞机实验。

首先这属于高能物理实验。所谓高能物理就是能量很高啦~高到什么地步呢?就是说在这个能区内,原子开始展现出其内部结构,能量越高,我们能够看到的细节越多,从原子到质子中子,到夸克,这些多少会听说过的名称实际上都是经过不断的实验积累和理论上的推测发现并确定其性质的。

大型强子对撞机内部

这对应着宇宙爆炸后非常非常短的时间内的能量和物质密度,一切所知的物质结构都被打散,只剩下最基本的目前认为不可被分割的基本粒子。不过请不要试图用切西瓜或者其他经典图像来照搬,基本粒子的存在方式、其间的关系和相互作用是需要专业的数学预言来描述的。只有当深入的学习,搞清楚这些数学和物理本质以后,逐步建立起量子、场等概念才能进行深入的讨论。

好啦,再说加速器实验。加速器实验是高能实验中重要的也是最庞大、消耗人力物力的实验。不过加速器也没有离我们生活这么远,我们经常听说的照X光片,治疗癌症的放疗,重离子加速癌症治疗(我国目前兰州重离子加速器HIRFL就是正在运行的一台,可以参见重离子加速器治疗癌症靠谱吗? - 物理学,据说治疗后5年寿命保证率达到99%)。

对撞机

加速器仅仅是一种仪器,用来赋予被加速的粒子能量。被加速的粒子可以是非常轻的电子,也可以是很重的重离子,比如说金离子。而且加速达到的能量也不同。加速不同的粒子用于研究不同的问题。比如基础物理实验,为了一个简单的实验条件和干净的背景,就使用极高能量的电子,像计划中的ILC,国际直线加速器。

或者为了研究核物理、高密高压物理就会使用离子加速。目前世界上各种类型各种能区的加速器非常多,处于激烈的竞争之下。因为加速器投入大,如果有人在相同能区比你做的好,那么你的加速器就没有用了。(这里要说到我国的北京谱仪,靠着高亮度和束流质量,曾经在正负电子对撞领域迫使欧洲美国的相同能区2-5GeV加速器停机,并一直独占此能区到现在。北京正负电子对撞机(4.15更正:有同学提出了质疑,我也会再仔细调查一下。总之,我在这里想说北京谱仪是在国际上有过一定地位的))

另外,加速器还可以做医疗、光源(比如上海光源、散裂中子源等)有及其丰富和科研、民用和商业价值。

对撞机的价值在哪

加速器实验的另一个要素就是探测器。加速器只是用来制备实验对象,还要对其进行观察。这就需要用到探测器。没有加速器也是可以做高能实验的,比如暗物质探测(靠天)、中微子(靠太阳靠核电站)、高能宇宙线(比LHC不知道高到哪里去了)、质子衰变(就是慢慢等)、双beta衰变(还是慢慢等)等等。这些实验都需要特殊设计的探测器来记录粒子的信息并进行反推,得到物理事例的原貌,最终得到实验结论。

所以说不要误解加速器实验。其中对于物理来讲最重要的一部分就是探测器。

关于研究的问题,其他答主已经说的挺明白了。或者换句话说,就是理论物理前沿的方向性问题、下一步物理将走向何方。这也就是为什么人类会愿意投入100亿美金来建造这个庞然大物。关于实验原理,实际上还要从最基本的讲起。

首先,对撞干了什么?

对撞到底干了什么

对撞就是把粒子打散,打的越散越好,可以形象的理解为真的是碎成渣渣了。为什么要这样呢?因为粒子的细致结构是藏在外部之下的。当两辆车迎面相撞的时候,速度越快,撞的越厉害,发动机啊,座椅啊车皮啊飞得到处都是。要是想知道发动机是怎么工作的呢?那我们就开得再快一些,这样撞的就更散了,发动机里面的活塞什么的都飞出来了。这样就知道发动机是如何工作的了。

但是大自然还存在着更神奇的力量,当这些最细小的零件被裸露出来时,它们还会被随机的拼装,装成任何可能组装成的东西。比如说,10^10辆车相撞,都撞得稀烂,零件乱飞,然后就会恰巧的产生出火车、飞机、UFO神马的,在对撞机中也就对应着新粒子的生成。

对撞会产生什么粒子

然而这些新组装出来的东西不一定是稳定的。每一个不是基本粒子的粒子都有其寿命,随着时间都有一定的概率衰变成零件。然后零件们又会组装成生成概率最大的东西。而且有可能在这个过程中能量不够了,不再能组装回衰变前的东西。比如说,两辆车非常非常高的速度相撞,撞出一个火车,然后火车开了没有10米就散架了,然后碎裂的零件形成了5量小车。这是一个能量转换成质量的过程,完全是有可能发生的。一句话说,只要能量足够,物理过程允许,一切粒子都有可能产生。

上面说的就是对撞机中发生的物理过程。这种对撞、产生新粒子、又衰变为稳定粒子的过程叫做共振。当对撞粒子的能量在新粒子质量附近时,就会产生大量的新粒子,并通过上述反应得到具有一定特征的末态稳定粒子分布。根据这个特征,物理学家会定义一些物理量(不变质量,或者末态粒子空间分布、能量分布等等),并根据末态粒子的状态计算这个量。当共振存在时,就像真的共振一样,这个量就会形成共振峰。

对撞出原子弹的能量

对撞机就是通过探测器记录末态粒子的状态并反推发生的物理过程,筛选出感兴趣的过程和对应的末态,计算那个物理量,并进行统计,得到这个量的统计分布。当中间态的新粒子真实存在时,就会观察到一个共振峰的存在,即不变质量在末一个位置集中分布。根据这个峰,我们可以得到新粒子的质量和寿命。而所谓的结果的几个sigma是指认为这个峰在统计上存在于这个位置的可能性。并且根据空间分布等信息可以得到这个新粒子的自旋、反应的通道等等。

好了,知道了对撞机内的物理过程和实验设计思路,我们就要看探测器是如何完成对末态粒子的记录并重构物理事件的。
来源:百家号                    时间:2018-01-16

大型强子对撞机其实很“冷”

液氦在大型强子对撞机(LHC)内外部的复杂管道中不断流动,由于这个低温冷却系统,LHC比星际空间更寒冷。那么,为什么它需要保持在如此寒冷的温度下呢?

欧洲原子核研究组织(CERN)的低温冷冻团队负责人Serge Claudet表示,如果不保持低温,磁体就不会起作用。

缠绕的电缆使LHC强大的电磁体携带了11800安培电流,大致相当于小型闪电。对于一根手指宽度的电缆来说,要携带这么多电流而不被烧毁,它就必须是超导体。超导体是一种具有零电阻的电流导体。每次你打开灯,你都能发现存在电阻。如果一个灯泡灯丝是由超导导线制成的,那它会既不产生热量,也不发光,电流会直接穿过。

大多数工业超导体只有在绝对零度(-273.15摄氏度)以上几度的低温下,才能获得超导的神奇特性。LHC放置在一个算是相当温暖的隧道里,大约27摄氏度。为了使超导磁体免受这种温和气候的影响,工程师们用绝缘层将其层层包裹起来,一层比一层凉,就像俄罗斯套娃,以此保护磁芯。

大型强子对撞机

最外部是一个真空室,就像一个热水瓶胆。最内部磁体被浸没在1.9开氏度(-271.25摄氏度)的超流体液氦形成的静态室中,液态氦渗透到LHC磁线圈的每个角落。

如果工程师们只需要担心保护LHC不受隧道的温暖影响,那么60厘米的液氦保护层就足够了。但最大的问题却在内部。

科学家表示,大部分热量出现在内部,来自质子束和磁体。热量是衡量多少粒子发生碰撞的物理量,而在LHC核心中流过350亿亿个质子无疑会引起大振动。每当一个质子飞到一个角落,它都会释放出快速的光脉冲,这些光被周围的物质吸收并唤醒沉睡的分子。

与此同时,镀铜粒子束管道中的电子在金属中流动,以追上带正电的质子束,这就会产生电流。有些电子甚至会脱离原子的束缚,跃迁到真空中,导致碰撞并释放更多的电子。所有这些都会产生越来越多的热量,也将威胁到保持磁铁超导的敏感条件。

粒子碰撞

如果磁铁的温度超过2.17开氏度(-270.98摄氏度),它们就会失去超导性。发生这种情况时,原本只是一点点的内部加热很快就会升级为大量的热量。

为了保持这些磁体冷却,工程师们设计了一个复杂的低温系统,它利用了一个非常简单的原理:当液体蒸发为气体时,它会吸收热量。这就是为什么我们在淋浴后感到寒冷,这并不是因为水是凉的,而是当水滴从我们皮肤上蒸发掉时带走了我们的热量。

一根细长的管子穿过磁体支撑结构,输送了一股加压的超冷液氦。当液氦吸收多余的热量时,它就会蒸发,很快就被泵出。另一根冷却管穿过粒子束管道内部,在源头吸收能量。

尽管做了这么多努力,但大型强子对撞机的磁体有时会升温到足以失去超导性,也称为“超导磁体失超”事件。通常只有一个集中的点升温,而且发生得非常快。

 

传感器检测电压的变化并触发一个系统,该系统可以使热量分散到整个磁体中,并将电流从磁体中转移开。同时,LHC粒子束会被自动送到一个叫做粒子束捕集器的混凝土块中,整个加速器将会暂停几个小时,期间磁体则会恢复到它的超冷状态。这种情况每两年才会发生一次,工程师会不惜一切代价保护磁体。

来源:百家号                                 时间:2018-03-28

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