主题：对网友华恩的问题回复 （大型强子对撞机） -- songcla

呵呵，我转到这个版因为我想这里讨论更符合分类

华恩：见过近光速的粒子吗?有什么特异的行为?

比如说大小,速度,位置测不准之类的,在下十分好奇.

宋级（songclass）：

近光速的有质量的粒子是没人敢去看的，只能哪仪器检测。现代的粒子加速器可以把粒子加速到光速的99%以上。这里的粒子包含基本粒子如电子和原子核。粒子如果会衰变的话，由于相对论时间变慢效应，衰变期会变长。同时粒子的有效质量会变大，同样的力施加上去的作用愈来愈小。所以速度不会超过光速。位置更容易准确测量，因为量子效应在大质量下变小。

推荐一下网址

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A7%E5%9E%8B%E5%BC%B7%E5%AD%90%E5%B0%8D%E6%92%9E%E5%99%A8

这是一篇对人类的最强的加速器的介绍。(我部分转发兼评论一下，版主海涵啊）

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目前仍在建造当中，预计2008年6月开始运作，到时将成为世界上最大的粒子加速器设施。

：我们的教授上次说已经开始调试了（感谢不是老陈指正）

LHC的俯瞰图

LHC是一个国际合作的计划，由34国超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。

：美帝也嫌贵，不愿单独负担了

探测器的分布

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公尺之间。[1] 这是先前大型电子正子加速器 (LEP)所使用隧道的再利用。隧道本身直径三公尺，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。

：跨国工程

加速器信道中，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，另有安装其它的偏向磁铁及聚焦磁铁。

：磁铁很贵很耗电的

加速管道

两个对撞加速管中的质子，各具有的能量为 7 TeV (兆 电子伏特)，总撞击能量达 14 TeV。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 奈秒 (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 奈秒，再逐步提升到设计目标。

：这样的粒子就是你要的

在粒子入射到主加速环之前，会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子同步加速器 (P Pb)将产生50 MeV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（PS）可达到26 GeV的能量。超级质子同步加速器 (SPS)可提升质子的能量到450 GeV。然后注入主加速器（LHC）。

：见图呵呵

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。其它三个(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侦测器。

：真正的技术含量在这些探测器里

粒子探测器的横截面

粒子探测器

探测器的结构，注意照片中的人。

另一个探测器

LHC也可以用来加速对撞 重离子，例如 铅(Pb)离子可加速到1150 TeV。

：可能对核物理有点推进作用吧

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)。总粒子能量便可以使超导磁铁脱离超导态，而丢弃全部的加速粒子可相当于一个小型的爆炸。

：炸过了，呵呵

研究主题

物理学家希望藉由加速器对撞机来帮助他们解答下列的问题：

* 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？ [2]

：探测不到么，呵呵...

* 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-Klein theory, extra dimensions) 存在吗？我们可以见到这启发弦论的现象吗？

* 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？

* 为何重力比起其它三个基本作用力(电磁力，强作用力，弱作用力)差了这么多个数量级？

：这些问题果然是粒子物理的发展核心

粒子碰撞后的轨迹

重离子对撞机

虽然LHC的物理实验计划，着重于研究质子对撞后的现象。然而，短期的如每年一个月的重离子对撞也在实验计划之中。虽然其它较轻的离子对撞实验也是可行的，目前主要的规划为铅离子的对撞实验。[3]

：不太明白为啥选铅 ：-（

经费支出

LHC的建造经费最初是1995年通过的一笔26亿瑞朗，另有一笔两亿一千万元瑞朗的经费作为实验之用。然而，经费超支。在2001年的一次主要审核预期，将需增加四亿八千万元瑞朗在加速器的建造，与五千万元瑞朗的支出在实验运作上。同时，由于CERN年度预算的缩减，LHC的完工日期由2005年延后到2007年四月，以使用更多年度预算来支付。[5] 其中增加的一亿八千万元瑞朗，在于超导磁铁的制造上。另外，尚有在兴建放置CMS的地下洞穴时，遭遇到工程技术上的困难。[6] 预期的建造总额约为八十亿元 美金。

：看起来很贵，但是比军费便宜多了。

LHC计算机阵列的一小部分。整个阵列分布在全球

主控室之一

LHC@Home 是一个 分布式计算 的计划，用来支持LHC兴建与校正之用。这个计划是使用 BOINC 平台，来仿真粒子如何在加速器隧道中运行。有了这项信息，科学家便可以决定如何放置磁铁与调整功率，来达到加速轨道运行的稳定。

：你也可以参加

安全考量

在美国 RHIC 开始实验之时，同时包含内部的研究者与其它外部的科学家，都有担心类似的实验可能会引发理论上的一些灾难，甚至摧毁地球或是整个宇宙：

* 创造出一个稳定的 黑洞[7]

* 创造出比一般物质更稳定的 奇异物质 (构成假说中的奇异星的物质) 吸收掉所有一般物质

* 创造出 磁单极 促成 质子衰变

* 造成 量子力学 真空态 的 相变 到另一个未知的相态 (详见 虚真空)

RHIC与CERN 都有进行了一些研究调查，检视是否有可能产生例如 微黑洞, 微小的奇异物质(奇异微子) 或是 磁单极 等危险的事件。[8] 这份报告认为 "我们找不到任何可以证实的危害" 例如，除非某个未经证实的理论是对的，否则是不可能产生出微小黑洞的。即使真的有微黑洞产生了，预期会透过霍金辐射的机制，很快就会蒸发消失，所以会是无害的。而认为即使像LHC这样高能量的加速器的安全性，最有力的论点在于一个简单的事实：宇宙射线的能量是比起LHC 来要高出非常多数量级的，太阳系星体从形成到现在这么多年下来，都不断地被宇宙射线轰击。既没有产生出微黑洞, 微小的奇异物质或是磁单极来，太阳、地球和月球也都没有因此而被摧毁。

然而，仍有一些人还是对LHC的安全性有疑虑：像是这一个有着许多新的，未经测试过的实验，是没有办法完全保证说上述的情况不会发生。 John Nelson 在 伯明翰大学 谈到 RHIC 说 "这是非常不可能会有危害的 - 但是我无法百分之百保证。"[9] 另外在学术界，对于霍金辐射是否是正确的，也是有一些疑问。[10]

RHIC 自2000年运作到现在，都没有有产生可以摧毁地球的物质的迹象。

计算机阵列的全球分布，蓝线是主干网连接

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