强子对撞机六大实验

综述

据国外媒体报道，利用大型强子对撞机（LHC）进行的6项实验都将均在国际合作的模式下完成，这些实验将世界各地的研究机构的科学家聚集在一起，共同见证激动人心的一刻。每一项实验都截然不同，这是由其使用的粒子探测器的独特性所决定的。

两项大规模实验——ATLAS（超环面仪器实验的英文缩写，以下简称ATLAS）和CMS(紧凑渺子线圈实验的英文缩写，以下简称CMS) ——均建立在多用途探测器基础之上，用于分析在加速器中撞击时产生的数量庞大的粒子。两项实验的研究规模和研究层面均达到前所未有的程度。使用两个单独设计的探测器是交叉确认任何新发现的关键所在。

两项中型实验——ALICE（大型离子对撞机实验的英文缩写，以下简称ALICE）和 LHCb(LHC底夸克实验的英文缩写，以下简称LHCb）——利用特殊的探测器，分析与特殊现象有关的撞击。

另外两项实验——TOTEM（全截面弹性散射侦测器实验的英文缩写，以下简称TOTEM）和LHCf(LHC前行粒子实验的英文缩写，以下简称LHCf)——的规模就要小得多。它们的焦点集中在“前行粒子”（质子或者重离子）身上。在粒子束发生碰撞时，这些粒子只是擦肩而过，而不是正面相撞。

ATLAS、CMS、ALICE和LHCb探测器安装在4个地下巨洞，分布在大型强子对撞机周围。TOTEM实验用到的探测器位于CMS探测器附近，LHCf实验用到的探测器则位于ATLAS探测器附近。

ALICE

为了进行ALICE实验，大型强子对撞机将让铅离子进行对撞，在实验室条件下重建“大爆炸”之后的宇宙初期形态。获得的数据将允许物理学家研究夸克-胶子等离子体的性质和状态，这种物质据信在“大爆炸”发生后只存在很短时间。

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。物理学家希望看到的是，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。这么做将创造夸克-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。

ALICE探测器相关资料

尺寸：长26米，高16米，宽16米

重量：1万公吨

位置：法国小镇圣吉利斯-珀利（St Genis-Pouilly）。

ATLAS

ATLAS是大型强子对撞机两个通用探测器中的一个。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、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。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。

ATLAS探测器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米长的超导磁铁线圈组成。磁铁线圈分布在贯穿探测器中心的粒子束管周围，形成一个“圆筒”。实验过程中，磁场将被包含在线圈分离出的中央柱形空间内。

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。

ATLAS探测器相关资料

尺寸：长46米，高25米，宽25米，是迄今为止制造的个头最大的粒子探测器。

重量：7000公吨

位置：瑞士梅林(Meyrin)

CMS

CMS实验利用一个通用探测器，对物理学的很多领域进行研究，包括寻找希伯斯玻色子、额外维度以及构成暗物质的粒子。虽然实验目的与ATLAS相同，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。

CMS探测器是在一个巨型螺管式磁铁基础上建成的。它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。这个巨大磁场受一个“铁轭”限制——探测器1.25万公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的是，CMS探测器并不是在地下建造，而是选在地上，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37个国家的155个研究机构的2000多名科学家参与CMS实验。

CMS探测器相关资料

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）。

LHC底夸克

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。它通过研究一种称为“美夸克”（beauty quark）的粒子，专门对物质和反物质之间的微妙差异展开调查。LHCb实验不是将整个撞击点同密封探测器围起来，而是使用一系列子探测器去主要探测前行粒子（forward particle）。

第一个子探测器将安装到撞击点附近，而接下来的几个将会一个挨一个安装，它们的长度都超过20米。大型强子对撞机将创造出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“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。

LHC底夸克探测器相关资料

尺寸：长21米，高10米，宽13米

重量：5600吨

设计：具有平面探测器的前向接受谱仪

地点：法国费尔奈-伏尔泰

全截面弹性散射

全截面弹性散射探测器实验研究前行粒子，以重点分析普通实验难以获得的物理学原理。在一系列研究中，它将测量质子大小，还将准确监控大型强子对撞机的光度。想要做到这一点，全截面弹性散射探测器就必须要捕捉到距大型强子对撞机光束非常近的距离产生的粒子。它由一组安放在称为“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。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。

全截面弹性散射探测器相关资料

尺寸：长440米，高5米，宽5米

重量：20吨

设计：“罗马罐”，GEM探测器和阴极条感应室

地点：法国塞斯（位于CMS附近）

LHCf

LHCf实验将用于研究大型强子对撞机内部产生的前行粒子，作为在实验室环境下模拟宇宙射线的来源。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。

LHCf 探测器相关资料

尺寸：两个探测器，每个长30厘米，高80厘米，宽13厘米

重量：每个重40公斤

地点：瑞士梅林（位于ATLAS附近）

强子对撞机LHC计划

LHC计划，由34个国家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。

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米之间。这是先前大型电子正子加速器（LEP）所使用隧道的再利用，隧道本身直径三米，位于同一平面上，并贯穿瑞士与法国边境，主要的部分大半位于法国。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，还有冷冻槽等建构于其上。

加速器通道中，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，另有安装其他的偏向磁铁及聚焦磁铁。

两个对撞加速管中的质子，各具有的能量为 7 TeV （兆兆电子伏特，），总撞击能量达 14 TeV之谱。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 纳秒（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 纳秒，再逐步提升到设计目标。

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 (PS）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。而质子同步加速环可达到26 GeV的能量。低能量入射环（LEIR）为一离子储存与冷却的装置。反物质减速器 (AD）可以将3.57 GeV的反质子，减速到2 GeV。最后超级质子同步加速器(SPS）可提升质子的能量到450 GeV。

60余名中国科学家（其中近四十人为台湾科学家）参与强子对撞机实验。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。其他三个（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。　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。　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）。只需要10"_blank" href="/item/超导磁铁/9075537" data-lemmaid="9075537">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。

加速器通道中，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，另有安装其他的偏向磁铁及聚焦磁铁。

地球上最大的“粒子粉碎机”一路走来可谓多灾多难，现在又遇到了麻烦。两位美国公民对欧洲大型强子对撞机计划（LHC）提出了公诉，要求推迟这一“粒子粉碎机”开动的时间。他们声称，LHC可能产生危险的粒子或者微型黑洞，从而毁灭整个地球。

建造在瑞士欧洲粒子物理中心（CERN）的LHC眼看就要完工了，科学家希望它能开始运行。然而，3月21日，居住在夏威夷的Luis Sancho和Walter Wagner针对CERN和美国一些科研机构，向美国联邦地方法院提出了诉讼，要求在安全性得到证实之前，不启动LHC对撞计划。他们点名的美国科研机构包括能源部、国家自然科学基金会和芝加哥附近的费米实验室。

美国能源部和费米实验室不会对此发表评论，它们坚持认为这是一项应由司法部处理的法律案件。而CERN的一位发言人James Gillies则表示，这项诉讼要求是“彻底的胡说”。“LHC将在今年启动，并创造出各种关于宇宙的激动人心的新物理学认识。”他补充道,“从现在开始一年之后，世界还在那里。”

LHC将把质子加速到具有巨大的能量并进行对撞“粉碎”，从而模拟大爆炸后不足十亿分之一秒的情况。物理学家希望借此来解开长期以来的重大和基本难题，比如粒子为何存在质量（即验证希格斯玻色子）、空间是否隐藏着额外的维度等等

强子对撞机高能量对撞

欧洲大型强子对撞机在能量升级后进行了对撞实验，科学家使用了最高能量进行对撞，目前强子对撞机已经达到能够模拟宇宙诞生的状态（曾经有人一度担心这个巨大的机器会制造出黑洞吞噬地球）。这些数据被对撞机四个探测器收集，并记录这一奇迹的诞生。在最新的一次对撞实验中，科学家使用1045万亿电子伏特的能量作用于铅离子，这是以往能量的两倍，实验等效温度达到数万亿度。达到宇宙大爆炸时期的模拟温度，重现137亿年前的宇宙诞生。

大型强子对撞机的科学家认为这是对撞机能量升级后的一次突破，在对撞实验中，我们进入了探索宇宙早期物质的阶段。当宇宙大爆炸发生后，宇宙中的温度极高、密度极大，此时的宇宙就像沉浸在一种粒子汤中。这时宇宙粒子主要由夸克和胶子组成，之后逐渐形成了质子和中子。研究宇宙早期状态有助于我们解决宇宙演化的基本问题，欧洲核子研究中心总干事Rolf Heur指出，我们渴望最高能量对撞产生的极端环境，模拟宇宙大爆炸诞生。

宇宙大爆炸之后的1秒钟内，粒子环境变化非常快，夸克-胶子等离子体的存在时间仅为百万分之一秒，正式这一瞬间的变化，为宇宙质子和中子的形成奠定了基础。科学家下一步会继续增强铅离子的对撞能量，观察宇宙大爆炸后会出现何种变化，这些变化对生命的诞生有何积极的意义。这无疑是一个激动人心的时刻，我们有能力对早期的宇宙进行研究。

大型强子对撞机在两年前进入能量升级，这是目前世界上最强大的粒子加速器，升级后能量提升了近两倍，科学家正在向新物理学方向前进，我们有望发现隐藏的维度和暗物质奥秘。目前宇宙学仍然存在许多未解之谜，其中时空维度、暗物质、暗能量都是未知的。这台强子对撞机将为我们带来更多惊喜。

强子对撞机迷你爆炸实验

欧洲对撞机实现迷你宇宙大爆炸

创10万亿度高温2010年11月09日 09:42 新浪科技 消息，据《独立报》报道，科学家借助欧洲大型强子对撞机（LHC）成功完成了创造迷你版“宇宙大爆炸”的实验，产生了一个温度为太阳核心温度100万倍的火球。参与这个项目的英国科学家热烈庆祝了这个具有里程碑意义的实验。　大型强子对撞机创造了一个迷你版本的“宇宙大爆炸”。参与大型强子对撞机项目ALICE铅离子对撞实验的英国科学家都在庆祝对撞实验取得成功，这将开启粒子物理学研究的新世纪。“迷你大爆炸”是通过令铅离子高速撞击产生的，撞击产生的温度是太阳核心温度的100万倍，重现了大爆炸后宇宙的瞬间状况。

ALICE离子对撞实验项目英国小组成员、伯明翰大学物理学家戴维·埃文斯博士说：“我们对这一成就激动万分。对撞实验产生了迷你版本的宇宙大爆炸以及在实验中取得的有史以来的最高温度和密度。这个过程发生在一个安全、可控的环境内，生成了炽热和稠密的亚原子火球，温度超过10万亿度，即太阳核心温度的100万倍。在这一温度下，连构成原子核的质子和中子也被融化了，产生称为‘夸克与胶子等离子体’的炽热而稠密的夸克与胶子汤。”

强大的磁体令铅离子以接近于光速的速度在地下数百英里的隧道内高速运转。铅离子以相反的两个方面飞行，最后聚焦变成一个狭长的光束，被迫在ALICE探测器内撞击。科学家希望，通过夸克与胶子等离子体，可以让他们对强作用力有更多的了解。强作用力是自然界存在的四种基本作用力之一。

埃文斯说：“强作用力不仅使原子核牢牢地绑定在一起，而且还对它们98%的质量负责。我现在期待着研究大爆炸发生后瞬间构成宇宙的一小部分物质。”ALICE探测器是大型强子对撞机的组成部分。大型强子对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加速器，旨在探究宇宙起源，它建在法国与瑞士边境地下一条16.7 英里（约合27公里)长的环形隧道内，由欧洲核子研究中心（Cern）负责管理。

碰撞正碰（direct impact )

一个运动的球与一个静止的球碰撞，碰撞之前球的运动速度与两球心的连线在同一条直线上，碰撞之后两球的速度仍会沿着这条直线。这种碰撞称为正碰，也叫对心碰撞。

碰撞斜碰（oblique impact)

一个运动的球与一个静止的球碰撞，如果碰撞之前球的运动速度与两球心的连线不在同一条直线上，碰撞之后两球的速度都会偏离原来两球心的连线。这种碰撞称为斜碰，也叫非对心碰撞。

碰撞物体对障碍物的碰撞

一物体对某固定物体如地面、墙的碰撞属此类型，也可分为正碰撞和斜碰撞。

碰撞物体对可转动物体的碰撞

当物体甲与可绕O轴转动的物体乙发生碰撞时，物体乙突然获得一角速度变化（图4）。一般在乙的支承O处也立刻产生一碰撞反力，其大小跟碰撞作用的位置，即距离OO₁有关。但在特殊条件下，悬挂物体虽受冲击力，其约束力仍可为零。

在气流床气化炉中, 属于多喷嘴对撞喷入式的炉型主要有E - Gas, Shell, Prenflo, TPR I和多喷嘴对置式气化炉, 其中Prenflo, Shell和TPR I采用干煤粉进料。

Prenflo炉与Shell炉均是K - T炉的加压气化形式, 工艺流程中的磨煤与干燥、粉煤加压与进料、气化与煤气冷却、除渣、干法除尘、湿法洗涤等系统基本相同, 均为废锅流程, 采用大量的冷煤气对高温煤气进行急冷, 气化炉和煤气冷却器均采用水冷壁和螺旋盘管换热器的结构, 二者的气化炉反应区基本相同, 其区别主要表现在: ① Prenflo炉采用横向布置的盘管式水冷壁, 而Shell炉采用纵向布置的膜式水冷壁; ② 二者的煤气冷却器结构不同, 煤气冷却流动路线不同, 在废锅设置上,Shell炉在经过导气管后的侧面设置废锅, 而Prenflo炉气化工艺中废锅设置在顶部。

对于TPR I炉, 与其他下置多喷嘴对撞喷入式气化炉不同的是, 其采用两段式炉膛结构, 下炉膛是第一反应区, 为一个两端窄中间宽的腔体, 其侧壁上对称布置2个或4个用于输入煤粉、水和氧气的喷嘴, 喷入煤粉质量分数80% ～85%的混合物;上炉膛是第二反应区, 高度较长, 侧壁上布置对称的2个煤粉和水的喷嘴, 喷入煤粉质量分数15%～20%的混合物。

以下采用Shell炉为例说明下置多喷嘴对撞喷入式气化炉的炉内流场与物料的温度特性。Shell炉应用撞击流原理, 将干煤粉与氧气通过同一水平面上4只对称布置的烧嘴喷入炉内, 两股等量的气固两相流同轴相向射流撞击, 形成具有高度湍动的撞击区和高度湍动区, 在惯性力作用下, 固相颗粒穿过撞击面渗入反向流, 使干煤粉与氧气在气化炉内实现混合并进行部分氧化反应, 生成的粗合成气和熔渣一起向下进入气化炉激冷室激冷和分离。

采用激光多普勒动态粒子分析仪研究了冷态下受限容器中多喷嘴对置射流的流动特征, 将Shell炉内的流动过程分为5个区域, 即射流区、撞击区、撞击扩展流区、回流区和管流区。气固两相流从喷嘴高速喷出后将周围流体卷吸带向下游流动形成射流区; 当4个对置的喷嘴射流交汇后, 在交汇中心区域形成相向射流的剧烈撞击区。该区域流体间的剪切作用力大, 速度脉冲强, 湍流强度大; 经过撞击混合后具有较高静压的流体迅速改变流动方向, 沿着气化炉的轴线方向运动, 形成向上和向下的两股撞击扩展流区。由于这两股流体相对速度较高, 具有射流性质, 对周边流体仍有卷吸作用, 使得该区域的宽度沿径向逐渐扩展, 轴向速度沿径向逐渐减小, 沿轴向达到一个最大值后也逐渐衰减; 四股射流与两股撞击流股周边均出现回流区, 回流是受限射流产生流体间相互混合的流动特征之一, 起到强化混合的作用; 在气化室上部, 流体的轴向速度沿径向分布基本保持不变的区域称为管流区。

与GSP炉相类似, Shell炉内流场也可按反应特征分为射流燃烧区、管流气化区和回流燃烧气化共存区。射流燃烧区包括射流区、撞击区及撞击扩展流区的一部分, 在该区域进行的是挥发分析出和燃烧以及焦炭燃烧, 并伴有射流卷吸的CO 和H2的燃烧反应, 这些放热反应导致该区域为炉内高温区; 管流气化区包括管流区和撞击扩展区的一部分, 进行的是C和CH4等气化反应和逆变换反应,这类吸热反应导致该区域温度相对稍低; 在回流共存区, 射流卷吸作用和湍流扩散使回流区、射流区和撞击流扩展区发生质量交换, 其中以卷吸为主,但因湍流的随机性, 也将有个别氧气微团经湍流扩散作用而进入回流区中。因此在回流区中既有燃烧反应, 亦有气化反应, 但以气化反应为主。

气固两相在Shell炉内的温度变化趋势与GSP炉内不同, 在射流区内, 喷入炉内的气相(水蒸气和氧气) 在挥发分的燃烧和生成烟气的稀释加热作用下, 温度急剧直线上升, 到达撞击区时,由于焦炭的燃烧放热反应使得其温度进一步提升,并达到最高温度, 也使得该区域为炉内最高温度区; 随后进入撞击扩展流区、回流区和管流区发生气化吸热反应, 并与焦炭- 灰渣发生热交换, 炉顶出口煤气温度降低, 减少了后续冷却单元; 由于煤粉颗粒表面热阻较大, 温升较慢, 在煤粉颗粒- 焦炭- 灰渣的转换过程中, 温度稳步上升, 在随气相上升至炉内最高轨迹点时, 温度达到最高, 在随后的下降过程中, 其温度基本维持不变, 直至下段的出渣口。

然而, 下置多喷嘴对撞喷入式气化炉也存在一些不足之处: ①在细长形的圆筒内采用径向喷嘴直接对冲, 从各喷嘴喷出的物料还未能充分发展即相互碰撞, 并发生激烈的燃烧放热反应, 使得炉内高温区集中在这一水平面上, 炉内温度梯度较大。②射流直接碰撞产生了向下和向上两股撞击流股, 向下的撞击流股沿径向的迅速扩张阻碍了喷嘴射流对周围高温烟气的卷吸作用, 回流区过小,延迟了射流区内煤粉着火燃烧的进程。③喷嘴的直接对冲并不能保证所有煤粉颗粒都在撞击区内相互碰撞而衰减, 必有一部分直接冲向对侧喷嘴, 对喷嘴周围水冷壁的使用寿命造成极大的威胁, 如果气化炉温度稍低, 就可能在喷嘴周围乃至喷嘴上结渣, 从而影响喷嘴的使用寿命和性能。④向下的撞击流股有部分直接冲向气化炉底部出口, 形成“短路”现象。⑤受撞击作用的影响, 单个喷嘴的容量不能太大, 否则撞击效果减弱, 这样单台气化炉的负荷受到限制, 不可能达到太大。⑥负荷对气化效果的影响明显, 气化炉对负荷调节的适应性相对较差。⑦ Shell炉和Prenflo炉均为一段式干煤粉进料的气化装置, 为了保证液态排渣顺利进行,炉底温度必须在其灰熔点以上。为了让高温煤气中的熔融态灰渣凝固以免使煤气冷却器堵塞, 不得不采用大量的冷煤气对高温煤气进行急冷, 方可使其由1 400 ℃冷却到900 ℃, 其热量损失较大, 气化炉的碳转化率、冷煤气效率和总热效率等指标也比较低, 并且由于煤气流量较大, 造成煤气冷却器、除尘和水洗涤装置的尺寸过大 。