多媒体揭密大型强子对撞机开启宇宙奥秘（图）

　　【搜狐科学消息】　据英国广播公司报道，无论造成什么样的恐慌，这台有史以来威力最大的原子粉碎机――大型强子对撞机（LHC）将在9月10日开启，以揭开宇宙起源的奥秘。据最新消息，在格林威治标准时间10日7时30分(北京时间10日15时30分)，欧洲核子物理研究组织(CERN)将开始一次全轨道试验，他们将首先在此环形管道中引发一道质子束，让其在超导磁铁的控制和加速下沿着此环形管道 逆时针方向运行，使其达到接近光速的速度，即每秒钟环绕轨道运行1万1000次。

然后，科学家再以顺时针方向引发另外一道质子束进行测试。接下来，科学家将相向发射质子束，让它们撞击、粉碎并释放能量。粒子对撞时将产生令人畏惧的反应能量，瞬时产生的热度比太阳还要热10万倍，堪比宇宙大爆炸时出现的情况。分析师将密切关注整个撞击过程，以寻找基本粒子。

　　在一项长达10小时的实验中，粒子束的运行距离可能超过100亿公里，足以在地球与海王星之间做个往返。在达到最大强度时，每一道粒子束拥有的能量相当于一辆以每小时1600公里行进的汽车。大型强子对撞机将消耗120兆瓦特电量，相当于日内瓦所有家庭的用电量。

　　大型强子对撞机全长约27公里长，就建在瑞士和法国边境地下100米深的环形隧道内。它是来自30多个国家的5000多名科学家和工程师，投下将近20年的时间建成的，整个工程耗去54亿6000万美元。当此对撞机正式开启时，我们将进入一个物理学的新领域，这台对撞机将研究最微小粒子并对宇宙大爆炸理论进行史上最逼真的模拟，可望将填补一些知识领域的空白甚至可能改写一些基本理论。

　　CMS实验和寻找“上帝粒子”

　　紧凑μ介子螺线管(CMS)是一种大型探测器。如同ATLAS一样，紧凑μ介子螺线管也是多面手探测器，将探测和测量撞击时释放的亚粒子，包括希伯斯玻色子。虽然CMS实验目的与ATLAS相同，都是探测构成我们宇宙的基本物质和基本力，但这个探测器的磁铁系统却采用了完全不同的技术和设计方案。此探测器位于巨大螺管式磁铁中，采用圆柱形超导电缆线圈，可产生4特斯拉的磁场，相当于地球磁场的10万倍。而且，这个巨大磁场受一个“铁轭”限制——探测器1.25万吨的重量大部分来自“铁轭”。与大型强子对撞机的其它巨型探测器有所不同 氖牵珻MS探测器并不是在地下而是在地上建造的，建成后分成15个部分被运至地下，最后完成组装，这也算得上它的一大特色。共有来自近40个国家的2000多名科学家参与CMS实验。

　　基本情况：尺寸：长21米，宽15米，高15米

　　重量：1.25万公吨

　　位置：法国塞希(Cessy)

　　设计：桶状且端口加盖

　　材料成本：2.455亿英镑（4.58亿美元）

　　ATLAS实验和搜寻暗物质

　　名为“A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS)”的探测器是最大的探测器，长46米、高25米、宽25米，大小是巴黎圣母院的一半；它重约7千吨，和巴黎艾菲尔铁塔的重量相当。此项实验涉及到物理学的很多领域，包括寻找希伯斯玻色子、微型黑洞、额外维度以及构成暗物质的粒子。与CMS的实验目的一样，ATLAS也将记录与撞击时产生的粒子有关的类似数据，即它们的路径、能量以及特性等等。

　　ATLAS和CMS都是通用探测器，虽然实验目的相同，但ATLAS和CMS探测器的磁铁系统却采用了完全不同的技术和设计方案。巨大的圆环形磁铁系统是它的主要特征。这一系统由8个25米长的超导磁铁环组成。磁铁环分布在贯穿探测器中心的粒子束管周围，形成一个“圆筒”。其核心是一个叫内层跟踪器的装置。此内层跟踪器探测和分析穿越ATLAS探测器的粒子的动量。围绕此内层跟踪器的是量能计，是来测量被它们吸收的粒子的能量。科学家能看到这些粒子的路径，从而推断出它们的相关信息。此 猓?SPAN lang=EN>ATLAS还有μ介子分光计。μ介子是一种带负电的粒子，比电子重200倍。μ介子能毫无停留地穿过量能计，这是惟一能做到这一点的一种粒子。此分光计通过带电粒子传感器来测量每一个μ介子的动量，这些传感器还能测量到ATLAS探测器磁场中的风吹草动。

　　共有来自37个国家的159个研究机构的1700多名科学家参与ATLAS实验。

　　基本情况：

　　尺寸：长46米，高25米，宽25米。

　　重量：7千吨

　　位置：瑞士梅林(Meyrin)

　　设计：桶状且端口加盖

　　材料成本：2.45亿英镑（4.57亿美元）

　　ALICE实验和模拟大爆炸

　　ALICE探测器是“大型离子撞击实验（A Large Ion Collider Experiment）”的简写，是专门用于研究离子与离子之间的撞击情况。通过高速撞击离子，科学家希望在实验室条件下重造宇宙大爆炸后的即时状况。他们期望看到此离子分裂成夸克和胶子，重造夸克-胶子等离子体，据信它们在宇宙大爆炸发生后只存在很短的时间。它们处于这种“流体”状态，因为早期宇宙特别热。当它们膨胀和冷却时，ALICE将用于研究这种夸克-胶子等离子体。ALICE的主要部件是定时发射膛(TPC)，能检查和重建粒子轨道。像ATLAS和CMS探测器一样，ALICE也有μ介子分光计。

　　现在宇宙的所有普通物质都是由原子构成，每个原子拥有一个由质子和中子构成的核子，核子周围环绕着电子。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。这种不可思议的强大束缚意味着独立的夸克是永远也不会被发现的。

　　大型强子对撞机内上演撞击时产生的高温是太阳内部温度的10万倍。物理学家希望看到质子和中子会在这种高温条件下“熔化”，并释放被胶子束缚的夸克，从而创造出夸克-胶子等离子体，它们可能只存在于“大爆炸”之后，当时的宇宙仍处在极度高温之下。科学家计划在夸克-胶子等离子体膨胀和冷却过程中对其进行研究，观察它如何形成最终构成当前宇宙物质的粒子。共有来自28个国家的94个研究机构的1000多名科学家参与ALICE实验。

　　基本情况：

　　尺寸：长26米，高16米，宽16米。

　　重量：1万吨

　　位置：法国小镇圣吉利斯-珀利(St Genis-Pouilly)

　　设计：中心桶配单臂，伸向μ介子分光计。

　　材料成本：5600万英镑（1.04亿美元）

　　LHCb实验和搜寻反物质

　　大型强子对撞机完美夸克（LHCb）探测器的目的就是搜寻反物质的证据。即通过搜寻所谓的完美夸克粒子来实现其目标。此探测器撞击点有20米长，周围布满一系列的亚探测器。这些探测器能以精微方向移动，以捕获完美夸克粒子，因此它们极不稳定且衰变迅速。LHCb实验将有助于我们理解人类为何生活在一个几乎完全由物质而非反物质构成的宇宙。

　　据信在宇宙大爆炸时，物质和反物质数量相当，但我们至今没有发现证据表明反物质的星系或恒星存在。为了查明这一点，LHCb将通过研究完美夸克粒子来探测物质和反物质之间的微小差异。

　　LHCb探测器不同于将Atlas和CMS那样将整个撞击点由密封的探测器围起来，而是使用一系列子探测器去探测前行粒子(forward particle)。第一个子探测器将安装到撞击点附近，而接下来的探测器将会一个挨一个安装，它们的长度都超过20米。大型强子对撞机撞击粒子束时将产生大量不同类型的夸克，然后它们将快速蜕变为其他类型。为捕捉到“完美夸克”，LHCb项目小组已开发出先进的可移动跟踪探测器，并安装在围绕于大型强子对撞机周围的光束路径附近。LHCb项目小组由来自13个国家48所研究机构的650位科学家组成。

　　全截面弹性散射侦测器(TOTEM)

　　全截面弹性散射侦测器(TOTEM)实验是大型强子对撞机中2个小型探测器中的一个。它将测量质子大小和大型强子对撞机的发光度，以重点分析普通实验难以获得的物理学原理。在粒子物理学中，发光度是指粒子加速器产生撞击的精确度。想要做到这一点，全截面弹性散射侦测器就必须捕捉到距大型强子对撞机光束非常近的粒子。TOTEM由一组安放在称为“罗马罐”(Roman pot)的特制真空室的探测器组成。

　　“罗马罐”同大型强子对撞机的光束管道相连装置。8个“罗马罐”将被一对一对地置于CMS实验撞击点附近的四个地点。尽管从科学意义上讲这两次实验是独立的，但TOTEM实验将是CMS探测器和其他大型强子对撞机实验所获结果的有力补充。来自8个国家10所研究机构的50位科学家将参与TOTEM实验。

　　大型强子对撞机前进（LHCf）

　　最后是大型强子对撞机前进（LHCf）探测器。此实验是模仿在可控制环境下的宇宙射线。其目的是帮助科学家找到设计大区域实验的方法，以研究自然发生的宇宙射线撞击。宇宙射线是自然产生于外太空的带电粒子，不断轰击地球大气层。它们在高层大气与核子相撞，产生一连串到达地面的粒子。研究大型强子对撞机内部撞击如何引起类似的粒子串有助于科学家解释和校准大规模宇宙射线实验，这种实验会覆盖数千公里的范围。来自4个国家10所研究机构的22位科学家将参与LHCf实验。

　　隧道

　　大型强子对撞机的主要建筑就是27公里长的圆形加速器超导磁铁环，其主要工作就是加速能量粒子，使其在此环中的不同探测器上发生碰撞。此隧道里面是二个分离的真空管，是这些近光速的粒子运行的通道。这些高速粒子由强大磁场来引导运行。数千块不同大小和类型的磁铁用来指引粒子束环绕此加速器运行。其中包括1200多块“偶极”磁铁、每一块长15米、是用来弯曲粒子束的，以便让它能绕此环运行。另有近400块“四极”磁体，每一块长5-7米，用来聚集此粒子束的。第三种磁铁用于挤压粒子束，以便让粒子彼此更加靠近，从而加大其撞击的机会。

　　许多磁铁由超导电缆线圈制成，这些超导电缆几乎没有电阻，因此耗电极少。为增强此电缆的超导效应，科学家通过液氮将它们冷却到接近绝对零度的低温，具体说是零下271摄氏度。此工作由控制中心来监控和管理。科学家则通过控制中心来操纵粒子束，确保撞击发生在此圆环所在的探测器位置处。

　　此隧道不是很圆的环，而是一系列弧构成。此机器中的磁铁线圈由36根电缆组成，而电缆是由15毫米长的缆绳拧成的。每一根缆绳由6400根缆丝构成，而每一根缆丝直径只有7微米，相比之下，人类头发丝的直径为50微米。这些电缆总长度达到7600公里，相对应的缆绳长度总计达到27万公里，这足可以环绕地球6圈。如果这些缆丝被拆开，它们的长度可以来回伸到太阳5次以上。

　　计算网格系统

　　大型强子对撞机运转后，每年将产生大约1500万亿字节的数据，一年的数据相当于10万张DVD光盘的容量，每4分钟就能存满一个100GB的硬盘。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)。此网格是一个计算机网络，每一台计算机能各自分析大量的数据。一旦计算机完成其自己的分析工作，就会将其发现发送到中心计算机，从而再接受新数据进行分析。只要科学家能将数据分成不同的块，此系统就能很好地工作。在计算机行业，这叫“网格计算”。

　　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的“帐房”进行分类和保存后，再分批送到欧洲核子物理研究组织的计算机中心，在磁带进行原始数据备份后，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。经过这些计算机中心的处理，其他设备就可使用这些数据了。其他的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。每个科学家可通过大学部门的局域网或个人电脑了解这些设备，这些人可能会经常查看大型强子对撞机计算网格。大约有7千名科学家会对这些数据信息进行分析。（元元）