大型强子对撞机课件.ppt

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1、欧洲核子中心CKRN坐落在美丽的日内瓦湖畔，毗邻雄伟的阿尔碑斯山脉，地跨瑞士、法国，是世界上最大的高能物理实验中心之一。,质子同步加速器(PS),超级质子加速器(SPS),正负电子对撞机(LEP)加速器,宇宙大爆炸示意图,大型强子对撞器( Large Hadron Collider，LHC )是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERN的粒子加速器与对撞机，作为国际高能物理学研究之用。(全球定位点：北纬46度14分00秒，东经6度03分00秒) LHC已经建造完成，北京时间2008年9月10日下午15：30正式开始运作，成为世界上最大的粒子加速器设施。LHC是一个国际合作的计划，由34国超

2、过两千位物理学家所属的大学与实验室，所共同出资合作兴建的。,总述,大型强子对撞机（LHC,The Large Hadron Collider）,对撞机整体结构图,LHC包含了一个圆周为27公里的圆形隧道，因当地地形的缘故位于地下50至150米之间。这是先前大型电子正子加速器 ( LEP )所使用隧道的再利用。隧道本身直径三米，位于同一平面上，并贯穿瑞士与法国边境，主要的部份大半位于法国。虽然隧道本身位于地底下，尚有许多地面设施如冷却压缩机，通风设备，控制电机设备，还有冷冻槽等等建构于其上。加速器通道中，主要是放置两个质子束管。加速管由超导磁铁所包覆，以液态氦来冷却。管中的质子是以相反的方向，环

3、绕着整个环型加速器运行。除此之外，在四个实验碰撞点附近，另有安装其他的偏向磁铁及聚焦磁铁。,两个对撞加速管中的质子，各具有的能量为7TeV，总撞击能量达14TeV。每个质子环绕整个储存环的时间为89微秒 (microsecond)。因为同步加速器的特性，加速管中的粒子是以粒子团(bunch)的形式，而非连续的粒子流。整个储存环将会有2800个粒子团，最短碰撞周期为25纳秒(nanosecond)。在加速器开始运作的初期，将会以轨道中放入较少的粒子团的方式运作，碰撞周期为75纳秒，再逐步提升到设计目标。在粒子入射到主加速环之前，先经过一系列加速设施，逐级提升能量。其中，由两个直线加速器所构成的质

4、子同步加速器 (PS)将产生50MeV的能量，接着质子同步推进器 (PSB)提升能量到1.4GeV。而质子同步加速环可达到26GeV的能量。低能量入射环(LEIR)为一离子储存与冷却的装置。反物质减速器 (AD)可以将3.57GeV的反质子，减速到2GeV。最后超级质子同步加速器 (SPS)可提升质子的能量到450GeV 。,在LHC加速环的四个碰撞点，分别设有五个侦测器在碰撞点的地穴中。其中超环面仪器 (ATLAS)与紧凑渺子线圈 (CMS)是通用型的粒子侦测器。其他三个(LHC底夸克侦测器(LHCb), 大型离子对撞器(ALICE)以及全截面弹性散射侦测器(TOTEM)则是较小型的特殊目标

5、侦测器。LHC也可以用来加速对撞 重离子，例如 铅(Pb)离子可加速到1150TeV。由于LHC有着对工程技术上极端的挑战，安全上的确保是极其重要的。当LHC开始运作时，磁铁中的总能量高达100亿焦耳(GJ)，而粒子束中的总能量也高达725百万焦耳(MJ)。,研究主题,标准模型中所流行的造成基本粒子质量的希格斯机制是真实的吗？真是如此的话，希格斯粒子有多少种，质量又分别是多少呢？当重子的质量被更精确的测量时，标准模型是否仍然成立的？粒子是否有相对应的超对称(SUSY)粒子存在？为何物质与反物质是不对称的？有更高维度的空间(Kaluza-Kleintheory,extradimensions)存

6、在吗？我们可以见到弦论的现象吗？宇宙有96%的质量是目前天文学上无法观测到的，这些到底是什么？为何重力比起其他三个基本作用力(电磁力，强作用力，弱作用力)差了这么多个数量级？,创造之最,世界上最大的机器 大型强子对撞机的精确周长是2.6659万米，内部总共有9300个磁体。不仅大型强子对撞机是世界上最大的粒子加速器，而且仅它的制冷分配系统(cryogenic distribution system)的八分之一，就称得上是世界上最大的制冷机。制冷分配系统在充满近60吨液态氦，将所有磁体都冷却到零下271.3摄氏度(1.9开氏度)前，它将先利用1.008万吨液态氮将这些磁体的温度降低到零下193.

7、2摄氏度。,世界上最快的跑道功率达到最大时，数万亿个质子将在大型强子对撞机周围的加速器环内以每秒1.1245万次的频率急速穿行，它们的速度是光速的99.9999991%。两束质子束分别以70000亿电子伏特的最大功率相向而行，在功率达到140000亿电子伏特时发生碰撞。每秒总共能发生大约6亿次撞击。银河系中最热的热点但比外太空要冷大型强子对撞机是一个极热和极冷的机器。当两束质子束相撞时，它们将在一个极小的空间内产生比太阳中心热10万倍的高温。与之相比，促使超流体氦在加速器环周围循环的制冷分配系统，让大型强子对撞机保持在零下271.3摄氏度(1.9开氏度)的超低温环境下，这个温度比外太空的温度还

8、低。,太阳系中的最空的空间为了避免加速器中的粒子束与空气分子相撞，这些粒子束在像行星间的空间一样空荡的超真空环境中穿行。大型强子对撞机的内压是10-13个大气压，比月球上的压力小10倍。有史以来最大最先进的探测器为了抽样检查和记录每秒多达6亿次的质子相撞结果，物理学家和工程师已经制造了测量粒子的精确度是微米的庞大仪器。大型强子对撞机的探测器拥有先进的电子触发系统，它测量粒子经过时所用时间的精确度，大约是十亿分之一秒。这个触发系统在确定粒子的位置时，精确度可达百万分之一米。这种令人难以置信的快速和精确反应，是确保一个探测器连续层内记录的粒子保持一致的基础。,世界最强大的超级计算机系统记录大型强子

9、对撞机进行的每项大试验的数据，每年大约足够刻10亿张双面DVD光盘。据估计，大型强子对撞机的寿命是15年。为了让世界各地的数千名科学家在未来15年内通力合作，分析这些数据，分布在世界各地的好几万台电脑将利用一种被称作网格的分散式计算网(distributed computing network)实施研究工作。,SixTrack （LHChome 项目所使用的计算程序）,世界各地的数千名科学家都希望了解并分析这些数据。为了解决这个问题，目前欧洲粒子物理研究所(CERN)正在建一个分散的计算和数据储存设施大型强子对撞机计算网格(LCG)。大型强子对撞机实验产生的数据，将通过欧洲粒子物理研究所记录在

10、磁带进行原始文件备份后，再分发到世界各地。经过初始加工，这种数据将被传送到可为大量数据提供充足储存空间的一系列大型计算机中心，这些计算机中心一天二十四小时不停地为大型强子对撞机计算网格提供服务。我国台湾也参与其中，并负责其中两项重要系统的研发，其次处理庞大实验数据，亚洲唯一的电脑中心就设在台湾的中研院。这次 台湾约有40名科学家参与这项国际实验，负责世界上最大与最重的侦测器研发，其次处理庞大实验数据所倚赖的网格电脑就设在台湾的中研院，。,经过这些计算机中心的处理，其他设备就可使用这些数据，其他设备每个都有一个或几个实施特殊分析任务的联合计算机中心组成。科学家可通过大学部门的局域网或个人电脑了解

11、这些设备，可经常查看大型强子对撞机计算网格。与大型强子对撞机计算网格密切合作的欧洲粒子物理研究所的其他网格项目：1.E-Science网格(EGEE)：大型强子对撞机计算网格是这个项目的初级生产环境，E-Science网格从2004年开始建设，目的是为广阔的科学领域建设一个网格基础设施。2.欧洲粒子物理研究所开放实验室(CERN open lab)：大型强子对撞机计算网格项目也在随着工业发展，它尤其在通过欧洲粒子物理研究所开放实验室不断发展。最主要的IT公司正在欧洲粒子物理研究所开放实验室内试验和确认大型强子对撞机计算网格使用的重要的网格技术。,六大实验,利用大型强子对撞机 ( LHC ) 进

12、行的 6 项实验都将均在国际合作的模式下完成，这些实验将世界各地的研究机构的科学家聚集在一起，共同见证激动人心的一刻。每一项实验都截然不同，这是由其使用的粒子探测器的独特性所决定的。,LHC底夸克探测器,两项大规模实验： ATLAS(超环面仪器实验的英文缩写，以下简称ATLAS) CMS(紧凑渺子线圈实验的英文缩写，以下简称CMS)两者均建立在多用途探测器基础之上，用于分析在加速器中撞击时产生的数量庞大的粒子。两项实验的研究规模和研究层面均达到前所未有的程度。使用两个单独设计的探测器是交叉确认任何新发现的关键所在。ATLAS和CMS是LHC上的两个一般意图探测器，将有机会探测质子对撞的所有主要

13、物理产物，是LHC上最重要的实验。,ATLAS是大型强子对撞机两个通用探测器中的一个,紧凑渺子线圈(CMS)探测器,两项中型实验： ALICE(大型离子对撞机实验的英文缩写，以下简称ALICE) LHCb(LHC底夸克实验的英文缩写，以下简称LHCb)两者利用特殊的探测器，分析与特殊现象有关的撞击。,ALICE探测器,LHC底夸克探测器,另外两项实验： TOTEM(全截面弹性散射侦测器实验的英文缩写，以下简称TOTEM) LHCf(LHC前行粒子实验的英文缩写，以下简称LHCf)两者的规模就要小得多。它们的焦点集中在“前行粒子”(质子或者重离子)身上。在粒子束发生碰撞时，这些粒子只是擦肩而过，

14、而不是正面相撞。,ATLAS、CMS、ALICE和LHCb探测器安装在4个地下巨洞，分布在大型强子对撞机周围。TOTEM实验用到的探测器位于CMS探测器附近，LHCf实验用到的探测器则位于ATLAS探测器附近。,待解五大谜团,牛顿未完成的工作什么是质量？质量的起源是什么？为什么微小粒子拥有质量，而其它一些粒子却没有这种“待遇”？对于这些问题，科学家到现在也没有找到一个确切答案。最有可能的解释似乎可以在希格斯玻色子身上找到。希格斯玻色子是“标准模型”这一粒子物理学理论中最后一种尚未被发现的粒子，它的存在是整个“标准模型”的基石。早在1964年，苏格兰物理学家 P 希格斯(Peter Higgs)

15、便首次预言存在这种粒子，但迄今为止，科学家仍未见过它的庐山真面目。ATLAS和CMS实验将积极寻找这种难于捉摸的粒子存在迹象。,一个“看不见”的问题96%的宇宙由什么构成？我们在宇宙中看到的一切从小蚂蚁到巨大的星系都是由普通粒子构成的。这些粒子被统称为物质，它们构成了4%的宇宙。余下的部分据信由暗物质不发光的物质和暗能量构成，它们对于整个宇宙的构成与运行有着极其重要的作用。对它们进行探测和研究的难度不可想象。研究暗物质和暗能量的性质是当今粒子物理学和宇宙学面临的最大挑战之一。ATLAS和CMS实验将寻找超级对称的粒子，用于验证一种与暗物质构成有关的假设。,大自然的偏好为什么找不到反物质？我们生

16、活在一个由物质构成的世界，宇宙万物包括我们人类在内都是由物质构成的。反物质就像物质的一个孪生兄弟，但它却携带相反电荷。在宇宙诞生时，“大爆炸”产生了相同数量的物质和反物质。然而，一旦这对孪生兄弟碰面，它们就会“同归于尽”，并最终转换成能量。不知何故，少量物质幸存下来，并形成我们现在生活的宇宙，而它的孪生兄弟反物质却几乎消失得无影无踪。为什么大自然不能一碗水端平，平等对待这对孪生兄弟呢？LHCb实验将寻找物质与反物质之间的差异，帮助解释大自然为何如此偏向。此前的实验已经观察到两者之间的些许不同，但迄今为止的研究发现还不足以解释宇宙中的物质和暗物质为何在数量上呈现出明显的不均衡。,“大爆炸”的秘密

17、物质在宇宙诞生后的第一秒呈什么状态？构成宇宙万物的物质据信来源于一系列密集而炽热的基本粒子。现在宇宙中的普通物质由原子构成，原子拥有一个由质子和中子构成的核子，质子和中子都是被称之为“胶子”的其它粒子束缚夸克形成的。这种束缚非常强大，但在最初的宇宙，由于温度极高加之能量巨大，胶子很难将夸克结合在一起。也就是说，这种束缚似乎是在“大爆炸”发生后的最初几微秒内形成的，此时的宇宙拥有一个由夸克和胶子构成的非常炽热而密集的混合物，也就是所说的“夸克-胶子等离子体”。ALICE实验将利用大型强子对撞机模拟大爆炸发生后的原始宇宙形态，分析夸克-胶子等离子体的性质。,隐藏的世界空间的额外维度真的存在吗？根据

18、爱因斯坦广义相对论，人类生存的三维空间加上时间轴即构成所谓四维空间。后来的理论认为，可能存在拥有隐藏维度的空间。弦理论便暗示额外的空间维度尚未被人类观察到，它们似乎会在高能条件下显现出来。基于这种推测，科学家将对所有探测器获得的数据进行仔细分析，以寻找额外维度存在迹象。,粒子物理学的“圣杯”希格斯玻色子,自然界中，物体之间千差万别的相互作用，可以简单划分为4种力：即引力、电磁力、维持原子核的强作用力和产生放射衰变的弱作用力。在爱因斯坦的相对论解决了重力问题后，人们开始尝试建立一个统一的模型，以期解释通过后3种力相互作用的所有粒子。经过长期研究和探索，科学家们建立起被称为“标准模型”的粒子物理学

19、理论，它把基本粒子（构成物质的亚原子结构）分成3大类：夸克、轻子与玻色子。“标准模型”的出现，使得各种粒子如万鸟归林般拥有了一个共同的“家园”。但是这一“家园”有个致命缺陷，那就是该模型无法解释物质质量的来源。,为了修补上述理论大厦的缺陷，英国科学家P希格斯提出了希格斯场的存在，并进而预言了希格斯玻色子的存在。假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础。其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。尔后所有的粒子在除引力外的另3种力的框架中相互作用，统一于“标准模型”之下，构筑成大千世界。“标准模型”预言了62种基本粒子的存在，这些粒子

20、基本都已被实验所证实，而希格斯玻色子是最后一种未被发现的基本粒子。因此，寻找该粒子，被比喻为寻找粒子物理学领域的“圣杯”。,安全评估,大型强子对撞机(LHC)产生的能量是其他粒子加速器以前都无法达到的，但是自然界中的宇宙光相撞产生了更高的能量。多年来，这种高能粒子相撞产生的能量的安全性问题，一直备受关注。据新实验数据和对相关理论的新认识显示，大型强子对撞机安全评估团(LSAG)已经重新校正了该团在2003年做出的一份调查分析。这个安全评估团由中立派科学家组成。,宇宙射线跟其他粒子加速器一样，大型强子对撞机在受控实验室环境中重新再现了宇宙射线的自然现象，这使科学家能对宇宙射线进行更加详细的研究。

21、宇宙射线是外层空间产生的粒子，其中一些粒子通过加速，产生的能量远远超过了大型强子对撞机产生的能量。在大约70年的实验中，宇宙射线传播到地球大气层的能量及速度都已经被监测到。在过去的数十亿年间，地球上的自然界内发生的粒子撞击次数，已经相当于大约100万次大型强子对撞机实验，可是至今地球仍然存在。天文学家在宇宙中观测到大量体积更大的天体，它们都受到宇宙射线轰击。宇宙的运行情况，就如同像大型强子对撞机一样的实验每秒运行超过数百亿次。任何危险结果的可能性与天文学家看到的现实相矛盾，因为至今恒星和星系仍然存在。,微型黑洞当比我们的太阳更大的特定恒星在生命最后阶段发生爆炸时，自然界就会形成黑洞。它们将大量

22、物质浓缩在非常小的空间内。假设在大型强子对撞机内的质子相撞产生粒子的过程中，形成了微小黑洞，每个质子拥有的能量可跟一只飞行中的蚊子相当。天文学上的黑洞比大型强子对撞机能产生的任何东西的质量更重。据爱因斯坦的相对论描述的重力性质，大型强子对撞机内不可能产生微小黑洞。然而一些纯理论预言大型强子对撞机能产生这种粒子产品。所有这些理论都预测大型强子对撞机产生的此类粒子会立刻分解。因此它产生的黑洞将没时间浓缩物质，产生肉眼可见的结果。,虽然稳定的微小黑洞理论站不住脚，但是研究宇宙射线产生的微小黑洞结果显示，它们没有危害。大型强子对撞机内发生的撞击，与地球等天体和宇宙射线发生碰撞不同，在大型强子对撞机内的

23、碰撞过程中产生的新粒子，一般比宇宙射线产生的粒子的运行速度更慢。稳定的黑洞不是带电，就是呈中性。不管是宇宙射线产生的粒子，还是大型强子对撞机产生的粒子，如果它们带电，它们就能与普通物质结合，这个过程在粒子穿越地球时会停止。地球依然存在的事实，排除了宇宙射线或大型强子对撞机可产生带电且危险的微小黑洞的可能性。如果稳定的微小黑洞不带电，它们与地球之间的互动将非常微弱。宇宙射线产生的那些黑洞可以在不对地球造成任何危害的情况下穿过它，因此由大型强子对撞机产生的那些黑洞也可继续留在地球上。然而，宇宙中有比地球更大更密集的天体。宇宙射线与中子星或白矮星等天体相撞产生的黑洞可处于休眠状态。地球等这种致密体继

24、续存在的事实，排除了大型强子对撞机产生任何危险黑洞的可能性。,奇异微子奇异微子是针对一种假设的微小“奇异物质”产生的术语，奇异物质包含几乎与奇异夸克数量一样的粒子。根据理论成分最高的研究显示，奇异微子在一百万分之一千秒内，能转变成普通物质。但是奇异微子能否与普通物质结合，变成奇异物质？2000年相对论重离子对撞机(RHIC)在美国第一次出现时，人们提出了这个问题。当时的一项研究显示，人们没有理由关注这个问题，现在相对论重离子对撞机已经运行8年，它一直在寻找奇异微子，但是至今仍一无所获。,有时大型强子对撞机就像相对论重离子对撞机一样，需要通过重核子束运转。大型强子对撞机的光束拥有的能量将比相对论

25、重离子对撞机的光束拥有的能量更多，但是这种情况使奇异微子形成的可能性更小。就像冰不能在热水中形成一样，像这种对撞机产生的高温，很难让奇异物质结合在一起。另外，夸克在大型强子对撞机中比在相对论重离子对撞机中更加微弱，这使它很难聚集奇异物质。因此在大型强子对撞机内产生奇异微子的可能性，比在相对论重离子对撞机内更小。这个结果已经证实奇异微子不会产生的论点。,真空泡沫曾有推测认为，现在宇宙没处在它最稳定的状态，大型强子对撞机产生的微扰将能让它进入更加稳定的状态，这种状态被称作真空泡沫，在这种状态下人类将不复存在。如果大型强子对撞机确实能做到这些，难道宇宙射线碰撞就无法达到这种效果吗？由于目前在肉眼可见

26、的宇宙中的任何地方都没产生这种真空泡沫，因此大型强子对撞机将不能产生这种物质。,磁单极子磁单极子是假设中带单极性磁荷的粒子，每个只拥有北极或南极。一些纯理论指出，如果它们确实存在，磁单极子将导致质子消失。这些理论还表示，这种磁单极子因为太重，根本无法在大型强子对撞机内产生。然而，如果磁单极子的重量足以在大型强子对撞机内出现，宇宙射线撞击地球大气层早就该产生这种物质了，如果它们确实存在，地球能非常有效地阻止并捕获它们，现在人们应该已经发现它们。地球和其他天体继续存在的事实，排除了能吞噬质子的危险磁单极子的重量足够轻，可以在大型强子对撞机内产生的可能性。,1. 这是无尘室里的压缩介子线圈(CMS)

27、跟踪器外筒(TOB)。压缩介子线圈是大型强子对撞机的两个多用途科研仪器之一，它的设计目的是揭开“Terascale”的物理学原理，Terascale是一个能量区，物理学家认为他们可通过这个能量区找到21世纪粒子物理学核心问题的答案。,2. 组装ATLAS强子端盖液体氩热量计(ATLAS Hadronic endcap Liquid Argon Calorimeter)。ATLAS探测器包含一系列一个比一个大的同心圆筒，它们围绕着大型强子对撞机的质子束相撞的界面中心。,3. 工作人员正在对大型强子对撞机隧道内的磁体阵列进行检查。每个磁体都处在恰当位置非常重要，因为这样才能对光束的路径进行精确控制

28、。,4. 将大型离子对撞实验(ALICE)的内部追踪系统运送到实验洞并将它嵌入定时发射膛(TPC)。ALICE将用来研究超高能质子-质子和铅-铅对撞物理学原理，并将揭露宇宙大爆炸后几微秒内的宇宙情形。,5. 将该追踪系统嵌入压缩介子线圈探测器中心。,6. 照片上是LHCb电磁量能器。这是一个由3300块组成的一面42平方米的墙体，上面有闪烁体、光缆和铅。在大型强子对撞机内开始进行质子-质子对撞时， LHCb电磁量能器将被用来测量对撞过程产生的粒子能。质子、电子和正电子将穿过这些模块内的物质层，通过粒子流将它们的能量堆积在这个探测器中。,7. 这是在梅林的跟踪系统合成设备进行压缩介子线圈试验时拍

29、摄的照片。,8. 法国、瑞士和欧洲粒子物理研究所的消防人员在大型强子对撞机隧道内搬运营救设备。,9. 大型强子对撞机隧道内的冷磁体。,10. 将这个跟踪器插入压缩介子线圈探测器的心脏部位。,11. 拥有跟踪器外筒的压缩介子线圈探测器末端完工。,12. 将ATLAS的第一个小轮子送入隧道内。,14.将ATLAS的两个介子小轮子中的一个放入洞中。,14. 2007年7月拍摄的ATLAS探测器。,15. 2007年年底拍摄的压缩介子线圈探测器。,16. 将ATLAS磁体环形端盖从180号大楼运输到ATLAS指定地点。,17. 2008年2月初，在将介子小轮子送入洞中之前看到的ATLAS洞A侧的情景。,18. ALICE洞中的L3磁体的一个门即将关闭的门。,19. 将压缩介子线圈探测器的最后一个部分放入地下试验洞中。,20. 完全放入液体氩低温保持器后拍到的第一个ATLAS内部探测器端盖照片。,21. 在洞内安装ATLAS像素探测器。,22. 在ATLAS洞中安装光束管。,23. 进行安装时计算机中心的场景。,24. 安装世界上最大的硅跟踪探测器。,