人类史上最宏伟的机器：20年来全球80个国家近万名科学家参与

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人类史上最宏伟的机器：20年来全球80个国家近万名科学家参与




欧洲大型强子对撞机是目前全球最大、能量最高的粒子加速器，它通过埋入地下100米深、总长27公里的超导磁铁加速并碰撞粒子，可在微观尺度上还原宇宙大爆炸后的宇宙初期形态，帮助科学家研究宇宙起源并寻找新粒子。这个大型强子对撞器从构想到建成，已经历时近20年，耗费资金超过80亿美元，吸引了来自全球80多个国家的近万名科学家参与其中。



对撞机位于瑞士日内瓦洲与法国交界处, 是一个建于地表下50 ─170 米深，周长27 公里，直径3 .8 米的圆环形通道。空中的看起来周边地区的欧洲瑞士和法国,较小的(右下)显示质子同步加速器地下的位置,中间的环是超级质子同步加速器(SPS)和一个圆周和最大的环状7公里(27公里)是原大的电子和正电子对撞机(LEP)加速器日内瓦湖的部分情况。



为了节省成本，物理学家们没有开凿一条昂贵的新隧道来容纳新的对撞机，而是决定拆掉原来安置在欧洲原子核研究中心的正负电子加速器，代之以建造大型强子对撞机所需要的5万吨设备。



在这个大型的强子对撞器内部，有一条长达27公里的圆形隧道，在这里科学家们会将质子和离子加速至接近光速，然后使它们相撞，从而模拟出宇宙大爆炸后一万亿分之一秒内的能量和条件，紧接着科学家们会对撞击所产生的残骸物进行细致的分析，以此来探求物质本质的线索，以及自然中新的力量和平衡，最终达到，揭示宇宙起源，寻找“上帝粒子”——希格斯玻色子的目的。



通过这些实验，一连串未解之谜将被撩开神秘的面纱，“质量的起源是什么？”、“96%的宇宙是由什么构成的？”、“为什么找不到反物质？”、“宇宙诞生后的第一秒又是怎样的状态？”、“空间是否存在额外维度”等等这些谜团，将有望一一破解，由此带来的任何一项科学新发现，都弥足珍贵，足以成为一个个揭秘自然的“金苹果”。



当两个质子束在环形隧道中沿着反方向运动的时候，强大的电场使它们的能量急剧增加。这些粒子每运行一圈，就会获得更多的能量。要保持如此高能量的质子束继续运行需要非常强大的磁场。这么强的磁场是由冷却到接近绝对零度的超导电磁体产生的。物理学家们最希望建造的是一个30公里长的机器，它能以至少5千亿电子伏的能量将电子和正电子一起粉碎。



这些质子束将以逆时针方向不断加速运动，当对撞发生的那一瞬间，产生的高温将达到太阳温度的10万倍，也正是因为这些让人难以想象的数据，国外已经有些人开始担心，对撞机一旦失控，会不会导致吞噬地球的黑洞出现，甚至连当时全世界最著名的科学家霍金也加入到这样的讨论中来。



在强子对撞机的内部，两束高能粒子流在彼此相撞之前，以接近光速的速度，分别通过两个不同的，处于超高真空状态的光束管，向相反方向传播。



其中，1232 双极磁体被用来弯曲粒子束，而392四极磁体每个都有5到7米长，它们被用来集中粒子流，在碰撞之前，大型强子对撞机利用另一种类型的磁体“挤压”粒子，让彼此靠的更近，以增加它们成功相撞的机会，这些粒子非常小，让它们相撞，就如同让从相距10公里的两地发射出来的两根针相撞一样。



这两束高能粒子在强磁场的促使下围绕加速环告诉运行，而这个强磁场正式利用超导电磁石获得的，这些超导电磁石采用特殊电缆线制成，它们在超导状态下进行操作，能够有效传导电流，几乎没有电阻消耗和能量损失



而达到这种理想的超导传输，大约需要将磁体冷却到零下271摄氏度，这个温度比外太空的温度还低，正是由于这个原因，大部分加速器都与一个液态氦分流系统和其他设备相连，而这个液态氦分流系统就是用来冷却磁体的。



在这些特定的条件下，最终，大型对撞机内的粒子流将在加速器环周围的4个区域相撞，而这4个区域正好与粒子探测器的位置相对应。



粒子流碰撞后，会模拟出宇宙大爆炸时的形态，宇宙如何诞生？由什么物质构成？宇宙的未来又将如何？人类对这些奥秘的探究将更进一步。



作为有史以来最为复杂的科学实验，而中国也有将近100人参与到了这项实验中。



虽然大型强子对撞机建在了欧洲，但它是一个寄予了全人类共同的梦想，并且由全人类共同打造的科学奇迹，这也是中国第一次以平等合作伙伴的身份，参与到国际顶尖科研项目当中，不仅有很多科学家参与了对撞机的研制和两项主要试验，对撞机探测器的部分结构也在中国研发，并且中国科学家今后可以分享对撞期间的研究数据。



2008年9月10日，对撞机初次启动进行测试。这次测试是研究人员将一个质子束以顺时针方向注入到加速器中，让其加速到99.9998%光速的超快速度，从而使此质子束在全长27公里的环形隧道中以每秒11245圈的速度狂飙。这一幕通过网络视频向世界进行了直播，还有300多名记者来到此实验室目睹测试过程。



美国耶鲁大学物理学教授，保罗·第普顿，他语重心长地告诉大家，强子对撞机也许不会让你在下个月看到一个更亮的电灯泡，但是，人类从来没有把自己掌握的知识，束之高阁。宇宙的秘密一旦打开，我们都将跃上一个新境界。



我们很难想象在现实世界里，会看到这样一个庞然大物，这个庞然大物的名字叫大型强子对撞机，长27公里，深埋在法国瑞士边境地下100米的深处，它是我们揭开宇宙秘密的解码器，重现了宇宙诞生时的形态，开启了重大物理学发现的一个新黄金时代。


图文摘自：
https://www.toutiao.com/a6609812990558470663/#p=1