自我學習：強子對撞機

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大型強子對撞器（Large Hadron Collider，簡稱：LHC）是一座位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織CERN的對撞型粒子加速器，作為國際高能物理學研究之用。

2008年9月10日開始試運轉，並且成功地維持了兩質子束在軌道中運行，成為世界上最大的粒子加速器設施。

2008年9月19日，LHC 第三與第四段之間用來冷卻超導磁鐵的液態氦發生了嚴重的洩漏，目前據推測是由於聯接兩個超導磁鐵的接點接觸不良，在超導高電流的情況下融毀所造成的。依據 CERN的安全條例，必需將磁鐵升回到室溫後詳細檢查才能繼續運轉，這將需要三到四週的時間。要再冷卻回運作溫度，也是得經過三四週的時間，如此正好遇上預定的年度檢修時程，因此要開始運作將可能延遲至2009年夏天。

2008年10月21日預計將開始進行低能量對撞實驗。LHC是一個國際合作計劃，由全球85國中的多個大學與研究機構，超過八千位物理學家共同合力出資合作興建。



LHC包含了一個圓周為27公里的圓形隧道，因當地地形的緣故位於地下50至150公尺之間，是先前大型電子正子加速器（LEP）所使用隧道的再利用。隧道本身直徑三公尺，位於同一平面上，並貫穿瑞士與法國邊境，如右圖表示，主要的部份大半位於法國。雖然隧道本身位於地底下，尚有許多地面設施如冷卻壓縮機，通風設備，控制電機設備，還有冷凍槽等等建構於其上。

加速器通道中，主要是放置兩個質子束管。由於須維持前所未有高能量的粒子運行，加速管由超導磁鐵所包覆，以液態氦來冷卻。管中的質子是以相反的方向，環繞著整個環型加速器運行。除此之外，在四個實驗碰撞點附近，另有安裝其他的偏向磁鐵及聚焦磁鐵。

兩個對撞加速管中的質子，初步將以 5 TeV（兆電子伏特）的能量對撞，總撞擊能量達 10 TeV之多。（設計目標為 14 TeV）每個質子環繞整個儲存環的時間為 89 微秒 。因為同步加速器的特性，加速管中的粒子是以粒子團（bunch）的形式，而非連續的粒子流。整個儲存環將會有2800個粒子團，最短碰撞週期為 25 奈秒 。在加速器開始運作的初期，將會以軌道中放入較少的粒子團的方式運作，碰撞週期為 75 奈秒，再逐步提升到設計目標。

在粒子入射到主加速環之前，會先經過一系列加速設施，逐級提升能量。其中，由兩個直線加速器所構成的質子同步加速器（PS）將產生50 MeV的能量，接著質子同步推進器（PSB）提升能量到1.4GeV。而質子同步加速環可達到26GeV的能量。低能量入射環（LEIR）為一離子儲存與冷卻的裝置。反物質減速器（AD）可以將3.57 GeV的反質子，減速到2 GeV。最後超級質子同步加速器（SPS）可提升質子的能量到450 GeV。

在LHC加速環的四個碰撞點，分別設有五個偵測器在碰撞點的地穴中。其中超環面儀器（ATLAS）與緊湊渺子線圈（CMS）是通用型的粒子偵測器。其他三個（LHC底夸克偵測器（LHCb）, 大型離子對撞器（ALICE）以及全截面彈性散射偵測器（TOTEM）則是較小型的特殊目標偵測器。

LHC也可以用來加速對撞 重離子，例如 鉛（Pb）離子可加速到1150 TeV。

由於LHC有著對工程技術上極端的挑戰，安全的確保是極其重要的。當LHC開始運作時，磁鐵中的總能量高達100億焦耳（GJ），而粒子束中的總能量也高達725百萬焦耳（MJ）。只需要10−7總粒子能量便可以使超導磁鐵脫離超導態，而丟棄全部的加速粒子可相當於一個小型的爆炸。

此對撞機主要藉由電磁加速兩強子此其環繞在環型管中，達到99.999999%的光速速度後相撞，藉由強力撞擊撞開強子，期望找到新的物質。

在美國 RHIC 開始實驗之時，包括內部的研究者與其他外部的一些科學家，曾擔心類似的實驗可能會引發理論上的一些災難，甚至摧毀地球或是整個宇宙：

* 創造出一個穩定的黑洞
* 創造出比一般物質更穩定的一種，由上下奇三種夸克組成的奇異物質 （構成假說中的「奇異星」的物質）吸收掉所有一般物質
* 創造出磁單極促成質子衰變
* 造成量子力學真空態的相變到另一個未知的相態（詳見虛真空）

RHIC 與 CERN 都進行了一些研究調查，檢視是否有可能產生例如微黑洞、微小的奇異物質（奇異微子）或是磁單極等危險的事件。這份報告認為「我們找不到任何可以證實的危害」。例如，除非某個未經證實的理論是對的，否則是不可能產生出微小黑洞的。即使真有微黑洞產生了，預期會透過霍金輻射的機制，很快就會蒸發消失，所以會是無害的。而像 LHC 這樣高能量的加速器的安全性，最有力的論點在於一個簡單的事實：宇宙射線的能量比起 LHC 來要高出非常多數量級，太陽系星體從形成到現在這麼多年下來，都不斷地被宇宙射線轟擊。既沒有產生出微黑洞、微小的奇異物質或是磁單極，太陽、地球和月球也都沒有因此被摧毀。

然而，仍有一些人還是對 LHC 的安全性有疑慮：類似這樣新的、未經測試過的實驗，是沒有辦法完全保證上述的情況不會發生。約翰·尼爾森（John Nelson）在伯明罕大學談到RHIC說「這是非常不可能會有危害的──但是我無法百分之百保證。」另外在學術界，對於霍金輻射是否正確，也有一些疑問。

RHIC自2000年運行到現在，都沒有產生可以摧毀地球的物質的跡象。