工作原理:大型强子对撞机

要混乱地组合粒子,您需要大量的空间……以及大量的能量
Don Foley
CERN

世界上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)——在2012年发现了长期寻找的希格斯玻色子,从而颠覆了物理学。但当时它只以一半的功率运行。此后,LHC进行了一次大规模升级,并将于今年春天以接近满负荷的功率重新启动。在接下来的三年里,将有12000多名科学家利用LHC探索粒子物理学中最深刻、最奇特的问题。他们将发现什么——新粒子、新力,甚至新维度——无人能猜测。

工作原理

Don Foley

1. 加速: 对撞机坐落在一个近17英里(约27公里)的圆形隧道中。两束质子在环形轨道上沿相反方向行进,穿越保持超高真空的管子,并由冷却到比外太空更低温度的超导磁铁引导。质子以接近光速的速度移动,每秒绕行11,245圈。

2. 碰撞: 在四个主要探测器中,这两束粒子束相交,粒子每秒碰撞8亿次。在即将到来的运行中,这些碰撞将产生前所未有的13太电子伏能量。这相当于一只运动中的蚊子的13倍能量,但被压缩到比其小一万亿倍的空间——其密度类似于宇宙大爆炸后的瞬间。

3. 产生: 正如爱因斯坦在质能方程 E=mc² 中所理论化的,能量可以转化为质量(反之亦然)。因此,两束质子碰撞的能量可以结合并转化为巨大的新粒子,包括顶夸克——这是迄今为止观测到的最重的亚原子粒子。由于这些粒子不稳定,它们会迅速衰变成许多新的粒子。

4. 检测: 当这些次级粒子从碰撞点飞离时,探测器会测量它们的属性——包括在空间中的位置、能量、动量、质量和电荷。物理学家利用这些信息推断出碰撞瞬间产生的粒子的身份,并筛选数据中的异常现象,这些异常现象可能预示着全新的事物。

ATLAS探测器

ATLAS探测器体积为28,750立方米,是迄今为止建造的体积最大的粒子探测器,旨在进行最广泛的实验。当粒子碰撞时,四个组件会记录结果:内部探测器测量动量;量能器测量能量;μ子谱仪追踪μ子(碰撞副产品);磁系统则弯曲带电粒子。由于数据速率相当于500亿个同时进行的电话呼叫,它还配备了系统来决定应该记录哪些数据或忽略哪些数据。

本文最初发表于《大众科学》2015年4月号作为我们年度“它是如何运作的”专题的一部分。

 

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