什么是大型强子对撞机？

在法国与瑞士的交界处，坐落着世界上最大的粒子加速器—大型强子对撞机。其巨大的身形甚至形成了一个27公里（17英里）长的环形通道。

Credit: Maximilien Brice/CERN

大型强子对撞机（LHC）是现代粒子物理学的一个奇迹，它使研究者能去探索更小的微粒。根据物理学家托马斯2015年的一篇历史论文，我们得知LHC起源于1977年。当时欧洲核研究所的负责人约翰亚当先生提出修建一个地下通道的计划，用来容纳具有超高能量的粒子加速器。

从空中鸟瞰大型强子对撞机的地理环境，虽然结构大部分在法国境内，但是主要的建筑则多在瑞士。

20年后的1997年，该项目正式得到批准，一个27公里（17英里）长的环形加速器开始修建，该环穿越了法国瑞士交界处，能将粒子加速到光速的99.99%并使其相互撞击。在这个环形管道中，9300个磁体将引导带电粒子束以每秒11245次的频率从两个方向迎面相撞。这个设备每秒可以产生6亿次撞击，产生令人难以置信的能量，偶尔会出现一些，奇异的、前所未见的重粒子。LHC的运行能量是已退役的前记录保持者美国费米实验室的正负粒子加速器的6.5倍。

LHC耗资80亿美元建造，其中5.31亿美元由美国提供。来自60个不同国家的八千多名科学家在这里通力合作。加速器在2008年9月10号进行第一次粒子碰撞，这次碰撞仅是最大设计强度的十万分之一。

在LHC运行之前，一些人担心它可能会产生一个吞噬一切的黑洞，导致地球的毁灭。然而，任何一个真正的物理学家都会认为这样的担忧是无稽之谈。

“LHC是安全的，任何关于它会产生危险的言论都是虚假的。”欧洲核研究所（CERN）所长罗伯特·埃玛尔曾对《科学生活》这样说。

但这并不意味，不正当的操作没有危险。如果你把手伸进高能粒子中，巨大的能量相当于把运行中的航空母舰的能量集中到毫米大小，高能粒子会马上把你的打出一个洞，而通道里的放射性物质将会使你丧命。

在过去的十年里，LHC由ATLAS和CMS两个粒子探测器对粒子碰撞进行观测，它们的数据采集和分析是相互独立的。这是为了保证两者的数据不会相互影响，而且还可以相互对照检查。该设备已经在基础粒子物理学各个领域促成了两千多篇科学论文。

2012年7月4日，科学界正屏气凝神等待着LHC的研究员宣布希格斯玻色子的发现，它是50年前一个叫标准物理模型的理论的最后一块拼图。标准模型试着把所有已知的粒子和力（除了万有引力）以及他们的相互作用纳入计算。回溯至1964年，英国物理学家皮特·希格斯写的一篇文章预言了该粒子的存在，现在科学界以他的名字命名这种粒子。该粒子向人们解释了质量如何在宇宙中产生。

希格斯玻色子实际上是个存在于整个宇宙的场，作用着穿过它的每一个粒子。粒子的质量越大，在场中的运动就会越艰难。希格斯玻色子是这个场的表现，物理学家已为此摸索了半个世纪。LHC就是为了弄清楚这个神秘的场而建的。最终科学家发现希格斯玻色子是质子质量的125倍，因为准确预测了希格斯玻色子的存在，英国物理学家皮特·希格斯和比利时理论物理学家佛朗索瓦·恩勒特被授予2013年诺贝尔奖。

这张LHC的合成图像是由一位3D艺术家创作的。透视里呈现的是粒子束管道，红色蓝色分别代表相反方向旋转的粒子束。

丹尼尔·多明戈兹/欧洲核子能研究中心。

Credit: Daniel Dominguez/CERN

尽管掌握了希格斯玻色子，但物理学家们仍不能休息，因为标准模型还是有一些漏洞。例如，它不能处理万有引力，而万有引力是爱因斯坦相对论的主要部分。它也不能解释为什么宇宙由正物质组成而非反物质，两者在宇宙最初时应该是差不多一样的量。而且它丝毫没解释暗物质和暗能量，二者在标准模型建立时还没有被发现。

在LHC建成前，很多研究人员都认为下一个伟大的理论是 “超对称性理论”，它给所有已知的粒子加入相似但质量更大的孪生伴侣。一个或多个这种大质量伴侣是组成暗物质的最佳候选者。而且，超对称性被开始用来解释万有引力，解释它为什么比其它三个基本力要弱那么多。在希格斯玻色子发现之前，一些科学家希望希格斯玻色子和标准模型预测的不太一样，这预示着新的物理体系。

量范围内。这证明标准模型取得了巨大成就，但它没留给物理学家什么好的新指引。一些人开始讨论追求完美理论的那几十年，理论听起来很好，但似乎与现实不一致。很多人希望LHC下一次的数据采集会帮助理清一些混乱。

LHC在2018年12月关闭，经过为期两年的升级和修理。当它再次上线时，粒子碰撞的能量虽然只是稍稍提高，但每秒碰撞粒子的数量将是原来的两倍。科学家都在猜想将会发现什么。现在很多人在谈论一个更大能量的粒子加速器将会取代它，它位于同一地区，但却是LHC的四倍大。这个庞大的替代品会花费20年和270亿美元来建造。

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. livescience- Adam Mann, Live Science Contributor

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