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国际大科学计划和大科学工程介绍系列—大型强子对撞机(LHC)(1)工程简介

2021-08-06 14:17     来源:中国科技云     国际大科学计划LHC
欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC-Large Hadron Collider)作为最庞大的国际大科学工程之一。本文将从工程简介、我国参与情况以及信息基础设施支撑等方面进行初略介绍。

(一)工程简介
1. 背景介绍

大型强子对撞机是粒子物理科学家为了探索新的粒子,和微观量化粒子的‘新物理’机制设备,是一种将质子加速对撞的高能物理设备,英文名简称为LHC(Large Hadron Collider)。

欧洲大型强子对撞机是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器。大型强子对撞机坐落于日内瓦附近瑞士和法国的交界侏罗山地下100米深,总长17英里(含环形隧道)的隧道内,由欧洲核子研究组织(CERN)于1998年至2008年间与由34个国家的10000多名科学家、数百所大学和实验室合作建造的。

第一次碰撞是在2010年实现的,能量为每束3.5兆电子伏(TeV),约为之前世界纪录的四倍。升级后,它达到了每束6.5兆电子伏(13兆电子伏总碰撞能量,目前的世界纪录)。2018年底,它进入了为期两年的停机期,以便进一步升级。

截至2010年6月,预算约90亿美元的大型强子对撞机是迄今为止建造的最昂贵的科学仪器之一。该项目的总成本预计为44亿美元,其中11亿美元用于欧洲核子研究中心对实验的贡献。该设施费用的1/3来自欧洲原子核研究委员会,1/3由其成员国额外提供,另外1/3可望从日本和美国获得。1998年,中国由中科院、国家自然科学基金会、科技部三家出资1600万元,在LHC上建立两个探测器,供中国科学家参加CERN的合作研究。

LHC结构

LHC由一个27公里长的超导磁铁环组成,沿途有许多加速结构来提高粒子的能量,深度在地下50至175米。深度的变化是经过深思熟虑修建的,是为了减少Jura山下的隧道数量,避免在那里挖掘垂直通道。

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,主要的部分大半位于法国。选择隧道是为了避免在地表购买昂贵的土地,这也会对景观造成影响,并利用地壳提供的背景辐射屏蔽。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。


在加速器内部,两个高能粒子束在碰撞前以接近光速的速度传播。束流在不同的束流管中以相反的方向传播-两个管保持超高真空。它们被超导电磁铁维持的强磁场引导绕着加速环。电磁铁是由在超导状态下工作的特殊电缆线圈制成的,能有效导电而不产生电阻或能量损失。这需要将磁铁冷却至‑271.3°C——比外太空还要冷的温度。由于这个原因,大部分加速器与液氦分配系统相连,液氦用来冷却磁铁,也与其他供应服务相连。

管中的质子是以相反的方向,环绕着整个环型加速器运行。对撞机通道包含两个相邻的平行束线(或束管),每个束线都包含一个束流,这些束流在环的相反方向上传播。光束在环的四个点相交,这是粒子碰撞发生的地方。加速器的所有控制装置、服务和技术基础设施都位于CERN控制中心中。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。

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侦测器。



 
LHC目标

LHC的主要目标包括:

1、我们目前对宇宙的理解是不完整的。粒子和力的标准模型总结了我们目前对粒子物理学的知识。这一标准模型已经过许多实验的检验,证明它在预测以前未发现的粒子存在方面的成功。然而,它留下了许多未解决的问题,LHC将帮助回答这些问题。

2、大型强子对撞机还帮助我们研究反物质的奥秘。在大爆炸时,物质和反物质的产生量肯定是相同的,但从我们迄今为止的观察来看,我们的宇宙只是由物质组成的。大型强子对撞机可以为此问题提供一个答案。

3、除了质子间碰撞的研究,大型强子对撞机上的重离子碰撞将提供一个观察早期宇宙中存在的物质状态的窗口,称为“夸克-胶子等离子体”。当重离子以高能量碰撞时,它们会在瞬间形成一个由如此炽热、致密的物质组成的“火球”,可以通过实验加以研究。

HL-LHC

HL-LHC作为LHC的升级版本,将在更高的亮度下运行,换句话说,它将能够产生更多的数据。HL-LHC将在2025年后投入使用,ATLAS和CMS的实验分析数据量将增加10倍。

在2013年更新的《欧洲粒子物理战略》中,欧洲粒子物理的首要任务是充分利用大型强子对撞机,包括其升级版HL-LHC。

HL-LHC将使我们能够继续测量标准模型、粒子和力的理论模型预测的粒子,并确定实验结果和理论之间的差异性。HL-LHC还将使我们能够验证在LHC能量尺度上是否存在其他粒子。这些粒子的存在可能会解决当代物理学的一些突出难题,例如神秘暗物质的存在。

在HL-LHC的升级中,尽管大部分LHC现有部件将保留,但在更高亮度下运行需要开发新的部件,如更强大的聚焦磁铁和超导、低温、放射性硬材料、电子和遥控领域的新的先进技术。为了实现真空、低温下的机器保护,将实施土木工程,为新设备所需的部分技术基础设施创造空间。HL-LHC的建造工作应在2026年完成,之后将至少运行10年。

这一重大升级及其配套的LHC注入器(LIU),和探测器(ALICE、ATLAS、CMS、LHCb)升级计划也在全面实施。

HL-LHC时间线如下:

下图显示了HL-LHC项目所需工作的位置。

(未完待续)

参考文献:

https://home.cern/sites/home.web.cern.ch/files/2018-07/factsandfigures-en_0.pdf

https://home.cern/sites/home.web.cern.ch/files/2018-07/CERN-Brochure-2017-002-Eng_0.pdf

https://home.cern/science/accelerators/large-hadron-collider

https://atlas.cern/discover/physics

https://home.cern/news/news/accelerators/lhc-key-handed-back-operation

https://voisins.cern/en/high-luminosity-lhc-hl-lhc

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