对撞机

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对撞机相关知识

粒子对撞机是在高能同步加速器基础大型粒子对撞机上发展起来的一种装置。

主要作用是积累并加速相继由前级加速器注入的两束粒子流,到一定强度及能量时使其进行对撞,以产生足够高的反应能量,粒子对撞的类别有选择正负电子的,有强子粒子对撞的,有质子对撞的和单质粒子对撞的等,目的是检验人们的实验仪器和探索微观粒子的宏观效应,认识量子粒子的新规律,新粒子,认识新物理等前沿的量子粒子物理科学。同时,粒子对撞也是一种天然粒子‘机制’,人们探索‘粒子对撞机制’的成因,探索‘超对称’超额维度的存在,开发新材料。

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°14′00″,东经6°03′00″46.233333333333;6.05)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。

2015年4月5日,经过约两年的停机维护和升级后,欧洲大型强子对撞机重新启动,正式开启第二阶段运行。

发展历程

强子对撞器于北京时间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。

在2008年9月19日,LHC第三与第四段之间用来冷却超导磁铁的液态氦发生了严重的泄漏,导致对撞机暂停运转。

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。2008年9月10日,对撞机初次启动进行测试。

2010年,参与大型强子对撞机(LHC)项目的科学家表示,他们可能已经“接近”希格斯玻色子。希格斯玻色子也被称之为“上帝粒子”,据说在大爆炸之后宇宙形成过程中扮演重要角色。2015年4月5日,经过约两年的停机维护和升级后,欧洲大型强子对撞机重新启动,正式开启第二阶段运行,希望探索‘发现’希格斯耦合粒子超对称粒子的存在。

主要原理

对撞机(collider)用高能粒子轰击静止靶(粒子)时,只有质心系中的能量才是粒子相互作用的有效能量,它只占实验室系中粒子总能量的一部分。如果射到靶上的粒子能量为E,则对靶中同种粒子作用的质心系能量约为(E为粒子的静止能量)。可见,随着Eo的增高,用于相互作用的那部分能量所占的比例将越来越小,即被加速粒子能量的利用效率越来越低,但是,如果是两个能量为E的相向运动的同种高能粒子束对撞,则质心系能量约为2E,即粒子全部能量均可用来进行相互作用。可见,为了得到相同的质心系能量,所需的加速器能量将比对撞机大得多。如果对撞机能量为E,则相应的加速器能量应为2E2/E。例如,能量为2×300GeV的质子、质子对撞机,同一台能量o为180000GeV的质子加速器相当,建造这样高能量的加速器。在目前的技术水平及经济条件仍然是不可及的。但建造上述能量或更高一些能量的对撞机是完全可行的,这就是近20年来对撞机得到广泛发展的原因之一。并且;对撞机机制也是一种天然粒子对撞的有效机制存在,反应了‘超对称’‘超额维度’‘新粒子的存在,人们用 对撞机探索‘新粒子’‘新量子粒子物理’,用于人们的生活开发‘新材料’。

正负电子对撞机是一个使正负电子产生对撞的设备,它将各种粒子(如质子、电子等)加速到极高的能量,然后使粒子轰击一固定靶。通过研究高能粒子与靶中粒子碰撞时产生的各种反应研究其反应的性质,发现新粒子、新现象。正负电子对撞同样也是一种正负粒子碰撞的机制,正电子与负电子在自然界已有产出,人们研究微电子粒子的结构特性,是当今高能粒子物理量子力学的最前沿的科学。那自然界有正负电子对撞机的机制吗?这一机制自然界会天然存在吗?新发现,新探索,在陨落的陨石中就存在着自然界的正负电子对撞机制,这一现象也只能用高能物理的量子力学与四维空间维度解释。

原理

用经加速器加速的高能粒子轰击静止的靶,就像在一起交通事故中的一辆汽车撞到一辆停在路边的汽车上,撞车的能量很大一部分要消耗到使停在路边的汽车向前冲上,碰撞的威力就不够大。如果使两辆相向开行的高速汽车对头相撞,碰撞的威力就大许多倍。基于这种想法,科学家们在70年代初研制成功了对撞机。世界上已建成或正在兴建的对撞机有10多台。科学发现自然,自然验证科学。发现自然界自我组装生成的电子正负电子对撞机制的存在。

20世纪50年代初,加速器的设计者就有过利用对撞束来获得更高质心系能量的设想,但是鉴于加速器中束流的强度太低,束流密度远低于靶的粒子密度,双束对撞引起的相互作用反应率将比束流轰击固定靶时发生的反应率低106倍,这样,很难进行最低限度的测量,这种设想就没有得到应有的重视,1956年人们开始懂得依靠积累技术,可以获得必要强度的束流,从而使对撞机的研究真正被提到日程上来。

正负电子对撞机的造价低,技术简单,因此它是首先研究的对象。

最初的两台对撞机是1961年投入运行的,不久又相继出现了好几台低能量的电子对撞机。B.里希特就是在美国斯坦福直线加速器中心的正负电子对撞机SPEAR上发现著名的J/ψ粒子的(同时在美国布鲁克海文国家实验室由丁肇中教授发现),为近代高能物理的发展作出了很大的贡献,正是由于这一成就为后来人们下决心建造更大的正负电子对撞机起了决定性的作用。

原子对撞机的原理如下:

高能物理对撞机可以按照其加速粒子的种类进行分类,强子对撞机是其中一种,它加速的粒子是强子。由夸克组成的粒子称为强子,它包括重子和介子。介子一般是高能物理过程中的产物,极不稳定,短时间内就会发生衰变,因此不会是对撞机用来加速的粒子。在重子中,相对稳定的是质子和中子,而中子不带电,无法实现加速过程。也就是说,目前可行的强子对撞机所加速的粒子是质子。当前世界上能量最高的强子对撞机是位于美国芝加哥费米国家实验室的质子-反质子对撞机,它能使质子流、反质子流在1.96TeV的质心能量状态下对撞。

在2008年5月以后,位于瑞士日内瓦,由欧洲核子研究中心建造的大型强子对撞机将投入运行,届时将成为世界上能量最高的强子对撞机,它能使质子-质子在14TeV的质心能下对撞。大型强子对撞机磁体高16米,长、宽均有10多米,重达1920吨。工程技术人员专门建造了一个巨型吊架,用4根粗钢缆吊住这个磁体,借助液压顶泵将磁体缓慢放入隧道。它长达27公里的环形隧道可被用来加速粒子,使其相撞,创造出与宇宙大爆炸万亿分之一秒时类似的状态。在高能物理实验中,粒子加速器和探测器是常用设备。探测器用来探测碰撞产生的微小粒子,记录粒子能量、质量等信息。

大型电子加速器(LEP)将在2007年前更新设备,使它能加速更重的粒子——质子,质子相互碰撞能产生比现有加速器获得的粒子具有更高能量。

2003年6月4日,欧洲核子研究中心(CERN)正式开放地下大厅,大厅中将安放粒子探测器Atlas。Atlas是一座高达4层楼的设备,科学家希望,它能帮助人们弄清楚宇宙物质的诞生及其性质。

Atlas巨型设备是靠近瑞士和法国边境的欧洲核子研究中心所进行一项计划的核心部分,在该计划范围内,所谓的大型电子加速器(LEP)将在2007年前更新设备,使它能加速更重的粒子——质子,质子相互碰撞能产生比现有加速器获得的粒子具有更高能量。

据路透社报道,科学家希望,新型加速器——大型质子对撞机(LHC)能重新建立一些条件,其中包括能量密度——在约150亿年前宇宙诞生之后仅仅10亿分之一秒宇宙中存在的能量密度。大型质子对撞机安放在圆周长约27公里的隧道中,隧道位于瑞士和法国边境地下深75米处。

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