為了節(jié)省成本，物理學(xué)家們沒(méi)有開(kāi)鑿一條昂貴的新隧道來(lái)容納新的對(duì)撞機(jī)，而是決定拆掉原來(lái)安置在歐洲 原子核研究中心的正負(fù)電子加速器，代之以建造大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)所需要的5萬(wàn)噸設(shè)備。當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子束在環(huán)形隧道中沿著反方向運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，強(qiáng)大的 電場(chǎng)使它們的能量急劇增加。這些粒子每運(yùn)行一圈，就會(huì)獲得更多的能量。要保持如此高能量的質(zhì)子束繼續(xù)運(yùn)行需要非常強(qiáng)大的 磁場(chǎng)。這么強(qiáng)的磁場(chǎng)是由冷卻到接近 絕對(duì)零度的超導(dǎo)電磁體產(chǎn)生的。物理學(xué)家們最希望建造的是一個(gè)30公里長(zhǎng)的機(jī)器，它能以至少5千億電子伏的能量將電子和正電子一起粉碎。 目前；對(duì)撞機(jī)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了‘希格斯粒子希格斯玻色子的存在，升級(jí)后發(fā)現(xiàn)‘夸克奇異重子’五種夸克的‘味變’集合體存在，改造升級(jí)能量的加大還會(huì)‘探索發(fā)現(xiàn)’超對(duì)稱(chēng)粒子和希格斯耦合粒子與粒子的額外維相存在。

LHC是一個(gè)國(guó)際合作的計(jì)劃，由34個(gè)國(guó)家超過(guò)兩千位物理學(xué)家所屬的大學(xué)與實(shí)驗(yàn)室所共同出資合作興建的。

LHC包含了一個(gè)圓周為27公里的圓形隧道，因當(dāng)?shù)氐匦蔚木壒饰挥诘叵?0至150米之間。這是先前大型電子正子 加速器（LEP）所使用隧道的再利用，隧道本身直徑三米，位于同一平面上，并貫穿瑞士與法國(guó)邊境，主要的部分大半位于法國(guó)。雖然 隧道本身位于地底下，尚有許多地面設(shè)施如冷卻壓縮機(jī)，通風(fēng)設(shè)備，控制電機(jī)設(shè)備，還有冷凍槽等等建構(gòu)于其上。

加速器通道中，主要是放置兩個(gè) 質(zhì)子束管。加速管由超導(dǎo)磁鐵所包覆，以液態(tài)氦來(lái)冷卻。管中的質(zhì)子是以相反的方向，環(huán)繞著整個(gè)環(huán)型 加速器運(yùn)行。除此之外，在四個(gè)實(shí)驗(yàn)碰撞點(diǎn)附近，另有安裝其他的偏向 磁鐵及聚焦磁鐵。

LHC加速環(huán)的四個(gè)碰撞點(diǎn)，分別設(shè)有五個(gè)偵測(cè)器在碰撞點(diǎn)的地穴中。其中超環(huán)面儀器（ATLAS）與 緊湊渺子線圈（CMS）是通用型的粒子偵測(cè)器。其他三個(gè)（LHC底 夸克偵測(cè)器（LHCb），大型離子對(duì)撞器（ALICE）以及全截面彈性散射偵測(cè)器（TOTEM）則是較小型的特殊目標(biāo)偵測(cè)器。

1994年，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目立項(xiàng)后，林恩·埃文斯理所當(dāng)然地就成為了這個(gè)耗資百億美元的項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。對(duì)撞機(jī)從設(shè)計(jì)到建造，都由他全權(quán)負(fù)責(zé)。14年后，在瑞士和法國(guó)交界地區(qū)地下100米深處的周長(zhǎng)為27公里的環(huán)形隧道里，埃文斯和全球80多個(gè)國(guó)家近萬(wàn)名科學(xué)家的心血結(jié)晶——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)正式建成。

在2005年10月25日，因?yàn)槠鹬貦C(jī)載貨的意外掉落，造成一位技術(shù)人員的喪生。

2007年3月27日，由費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室所負(fù)責(zé)建造，一個(gè)用于 LHC 內(nèi)部的三極低溫超導(dǎo)磁鐵（屬于聚焦用四極磁鐵），因?yàn)橹渭艿脑O(shè)計(jì)不良，在 壓力測(cè)試時(shí)發(fā)生破損。雖然沒(méi)有造成人員的傷亡，但是卻嚴(yán)重影響了 LHC 開(kāi)始運(yùn)作的時(shí)程。

2008年6月15日，在埃文斯的退休儀式上，這6位主任紛紛親自出面或通過(guò)視頻向他致以敬意。他們還聯(lián)合簽署了一份文件，將大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)以林恩·埃文斯的名字命名，并制作了一個(gè)對(duì)撞機(jī)偶極子的小模型贈(zèng)送給埃文斯。

2008年9月10日，對(duì)撞機(jī)初次啟動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。埃文斯將手指放在鼠標(biāo)上，親自點(diǎn)擊啟動(dòng)了首次測(cè)試。這次測(cè)試是研究人員將一個(gè)質(zhì)子束以順時(shí)針?lè)较蜃⑷氲郊铀倨髦?，讓其加速?9.9998%光速的超快速度，從而使此質(zhì)子束在全長(zhǎng)27公里的環(huán)形隧道中以每秒11245圈的速度狂飆。這一幕通過(guò)網(wǎng)絡(luò)視頻向世界進(jìn)行了直播，還有300多名記者來(lái)到此實(shí)驗(yàn)室目睹測(cè)試過(guò)程。

2008年9月19日，LHC，第三與第四段之間，用來(lái)冷卻超導(dǎo)磁鐵的液態(tài)氦，發(fā)生了嚴(yán)重的泄漏。據(jù)推測(cè)是由于聯(lián)接兩個(gè)超導(dǎo)磁鐵的接點(diǎn)接觸不良，在超導(dǎo)高電流的情況下融毀所造成的。依據(jù)CERN的安全條例，必需將磁鐵升回到室溫后詳細(xì)檢查才能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，這將需要三到四周的時(shí)間。要再冷卻回運(yùn)作溫度，也是得經(jīng)過(guò)三四周的時(shí)間，如此正好遇上預(yù)定的年度檢修時(shí)程，因此要開(kāi)始運(yùn)作將可能延遲至2009年春天。

2008年10月16日，CERN發(fā)布了關(guān)于液態(tài)氦泄漏事件的調(diào)查分析，證實(shí)了先前推測(cè)的為兩超導(dǎo)磁鐵間接點(diǎn)不良所造成的。由于安全條例確實(shí)地實(shí)行、安全設(shè)計(jì)皆有正常工作、并且替換用的零件都有庫(kù)存，預(yù)期2009年6月重啟。

2008年9月10日下午15：30正式開(kāi)始運(yùn)作， 成為世界上最大的粒子加速器設(shè)施。

2008年9月19日，LHC第三與第四段之間，用來(lái)冷卻 超導(dǎo)磁鐵的 液態(tài)氦，發(fā)生了嚴(yán)重的泄漏，導(dǎo)致對(duì)撞機(jī)暫停運(yùn)轉(zhuǎn)。

自大約80個(gè)國(guó)家的7000名科學(xué)家和工程師參與了該項(xiàng)目。

60余名 中國(guó)科學(xué)家（其中近四十人為 臺(tái)灣科學(xué)家）參與強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)。四個(gè)主要實(shí)驗(yàn)均有中國(guó)科研單位和高校參與，分別為：中科院高能物理研究所、中國(guó)科技大學(xué)、山東大學(xué)、南京大學(xué)參與ATLAS實(shí)驗(yàn)；中科院高能物理研究所、北京大學(xué)參與CMS實(shí)驗(yàn)；華中師范大學(xué)參與ALICE實(shí)驗(yàn)；清華大學(xué)參與LHCb實(shí)驗(yàn)。

在這個(gè)加速器里面，2束高能粒子流在彼此相撞之前，以接近 光速的速度向前傳播。這兩束粒子流分別通過(guò)不同光束管，向相反方向傳播，這兩根管子都處于超高真空狀態(tài)。一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)促使它們圍繞那個(gè)加速環(huán)運(yùn)行，這個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)是利用超導(dǎo)電磁石獲得的。這些超導(dǎo)電磁石是利用特殊電纜線制成的，它們?cè)诔瑢?dǎo)狀態(tài)下進(jìn)行操作，有效傳導(dǎo)電流，沒(méi)有電阻消耗或能量損失。要達(dá)到這種結(jié)果，大約需要將磁體冷卻到零下271℃，這個(gè)溫度比外太空的溫度還低。由于這個(gè)原因，大部分加速器都與一個(gè)液態(tài)氦分流系統(tǒng)和其他設(shè)備相連，這個(gè)液態(tài)氦分流系統(tǒng)是用來(lái)冷卻磁體的。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)利用數(shù)千個(gè)種類(lèi)不同，型號(hào)各異的磁體，給該加速器周?chē)牧Ｗ邮敢较?。這些磁體中包括15米長(zhǎng)的1232雙極磁體和392四極磁體，1232雙極磁體被用來(lái)彎曲粒子束，392四極磁體每個(gè)都有5到7米長(zhǎng)，它們被用來(lái)集中粒子流。在碰撞之前，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)利用另一種類(lèi)型的磁體“擠壓”粒子，讓它們彼此靠的更近，以增加它們成功相撞的機(jī)會(huì)。這些粒子非常小，讓它們相撞，就如同讓從相距10公里的兩地發(fā)射出來(lái)的兩根針相撞一樣。

這個(gè)加速器、它的儀器和技術(shù)方面的基礎(chǔ)設(shè)施的操作器，都安裝在歐洲粒子物理研究所控制中心的同一座建筑內(nèi)。在這里，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)內(nèi)的粒子流將在加速器環(huán)周?chē)?個(gè)區(qū)域相撞，這4個(gè)區(qū)域與粒子探測(cè)器的位置相對(duì)應(yīng)。

兩個(gè)對(duì)撞加速管中的 質(zhì)子，各具有的能量為 7 TeV （兆兆電子伏特），總撞擊能量達(dá) 14 TeV之譜。每個(gè)質(zhì)子環(huán)繞整個(gè)儲(chǔ)存環(huán)的時(shí)間為 89 微秒（microsecond）。因?yàn)橥郊铀倨鞯奶匦裕铀俟苤械牧Ｗ邮且粤Ｗ訄F(tuán)（bunch）的形式，而非連續(xù)的粒子流。整個(gè)儲(chǔ)存環(huán)將會(huì)有2800個(gè)粒子團(tuán)，最短碰撞周期為 25 納秒（nanosecond）。在加速器開(kāi)始運(yùn)作的初期，將會(huì)以軌道中放入較少的粒子團(tuán)的方式運(yùn)作，碰撞周期為 75 納秒，再逐步提升到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在粒子入射到主加速環(huán)之前，會(huì)先經(jīng)過(guò)一系列加速設(shè)施，逐級(jí)提升能量。其中，由兩個(gè)直線加速器所構(gòu)成的質(zhì)子同步加速器 （PS）將產(chǎn)生50 MeV的能量，接著 質(zhì)子同步推進(jìn)器（PSB）提升能量到1.4GeV。而質(zhì)子同步加速環(huán)可達(dá)到26 GeV的能量。低能量入射環(huán)（LEIR）為一離子儲(chǔ)存與冷卻的裝置。反物質(zhì)減速器 （AD）可以將3.57 GeV的反質(zhì)子，減速到2 GeV。最后 超級(jí)質(zhì)子同步加速器(SPS）可提升質(zhì)子的能量到450 GeV。

LHC也可以用來(lái)加速對(duì)撞重離子，例如鉛（Pb）離子可加速到1150 TeV。由于LHC有著對(duì)工程技術(shù)上極端的挑戰(zhàn)，安全上的確保是極其重要的。當(dāng)LHC開(kāi)始運(yùn)作時(shí)，磁鐵中的總能量高達(dá)100億焦耳（GJ），而粒子束中的總能量也高達(dá)725百萬(wàn) 焦耳（MJ）。只需要10?7總粒子能量便可以使超導(dǎo)磁鐵脫離超導(dǎo)態(tài)，而丟棄全部的加速粒子可相當(dāng)于一個(gè)小型的爆炸。^[3]

林恩·埃文斯(Lyn Evans)，

1969年，他花3個(gè)月時(shí)間訪問(wèn)了歐洲核子物理研究組織（ CERN）項(xiàng)目。從此，他和妻子以及家人就定居在這里。65歲的威爾士人林恩·埃文斯大概可以算得上是這個(gè)世界上對(duì)“爆炸”最執(zhí)著的人了。從小就愛(ài)用各種化學(xué)物質(zhì)搗鼓點(diǎn)小爆炸的他，長(zhǎng)大后又對(duì)宇宙大爆炸產(chǎn)生了興趣。

為了模擬宇宙大爆炸，解開(kāi)宇宙之謎，他一手“策劃”了堪稱(chēng)世界上最大科學(xué)實(shí)驗(yàn)的歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）項(xiàng)目。從設(shè)計(jì)，建造，到實(shí)驗(yàn)，埃文斯已經(jīng)一路伴隨這個(gè)項(xiàng)目走過(guò)了近16個(gè)年頭。5個(gè)月前正式從歐洲核子研究中心（CERN）退休后，埃文斯?jié)u漸放慢了工作節(jié)奏，但他依然沒(méi)有離開(kāi)LHC項(xiàng)目。盡管不再擔(dān)任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，他在CMS（緊湊繆子線圈）實(shí)驗(yàn)小組中仍然擔(dān)任著重要工作。

歐洲核子研究中心于2008年9月10日啟動(dòng)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）。這個(gè)世界上最大的機(jī)器，有望揭開(kāi)宇宙起源的奧秘在內(nèi)五大謎團(tuán)。

過(guò)去幾十年來(lái)，物理學(xué)家不斷在細(xì)節(jié)上加深對(duì)構(gòu)成宇宙的基本粒子及其交互作用的了解。了解的加深讓粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”變得更為豐滿，但這個(gè)模型中仍存在縫隙，以至于我們無(wú)法繪制一幅完整的圖畫(huà)。為了幫助科學(xué)家揭示粒子物理學(xué)上這些關(guān)鍵性的未解之謎，需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)便擔(dān)負(fù)起“數(shù)據(jù)提供者”的角色，這也是非常重要的一個(gè)步驟。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能夠?qū)墒|(zhì)子加速到空前的能量狀態(tài)而后發(fā)生相撞，此時(shí)的撞擊可能帶來(lái)意想不到的結(jié)果，絕對(duì)是任何人都無(wú)法想象的。

牛頓未完成的工作——什么是質(zhì)量？

質(zhì)量的起源是什么？為什么微小粒子擁有質(zhì)量，而其它一些粒子卻沒(méi)有這種“待遇”？對(duì)于這些問(wèn)題，科學(xué)家到現(xiàn)在也沒(méi)有找到一個(gè)確切答案。最有可能的解釋似乎可以在希格斯玻色子身上找到。 希格斯玻色子是“標(biāo)準(zhǔn)模型”這一粒子物理學(xué)理論中最后一種尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子，它的存在是整個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)模型”的基石。早在1964年， 蘇格蘭物理學(xué)家彼得·希格斯(Peter Higgs）便首次預(yù)言存在這種粒子，科學(xué)家多次通過(guò)這臺(tái)機(jī)器觀測(cè)到這種粒子。

ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)將積極尋找這種難于捉摸的粒子存在跡象。

一個(gè)“看不見(jiàn)”的問(wèn)題——96%的宇宙由什么構(gòu)成？

我們?cè)谟钪嬷锌吹降囊磺小獜男∥浵伒骄薮蟮男窍怠际怯善胀Ｗ訕?gòu)成的。這些粒子被統(tǒng)稱(chēng)為物質(zhì)，它們構(gòu)成了4%的宇宙。余下的部分據(jù)信由暗物質(zhì)——不發(fā)光的物質(zhì)和暗能量構(gòu)成，它們對(duì)于整個(gè)宇宙的構(gòu)成與運(yùn)行有著極其重要的作用。對(duì)它們進(jìn)行探測(cè)和研究的難度不可想象。研究暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)是當(dāng)今粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

ATLAS和CMS實(shí)驗(yàn)將尋找超級(jí)對(duì)稱(chēng)的粒子，用于驗(yàn)證一種與暗物質(zhì)構(gòu)成有關(guān)的假設(shè)。

大自然的偏好——為什么找不到反物質(zhì)？

我們生活在一個(gè)由物質(zhì)構(gòu)成的世界，宇宙萬(wàn)物——包括我們?nèi)祟?lèi)在內(nèi)都是由物質(zhì)構(gòu)成的。 反物質(zhì)就像物質(zhì)的一個(gè)孿生兄弟，但它卻攜帶相反電荷。在宇宙誕生時(shí)，“大爆炸”產(chǎn)生了相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)。然而，一旦這對(duì)孿生兄弟碰面，它們就會(huì)“ 同歸于盡”，并最終轉(zhuǎn)換成能量。不知何故，少量物質(zhì)幸存下來(lái)，并形成我們現(xiàn)在生活的宇宙，而它的孿生兄弟反物質(zhì)卻幾乎消失得無(wú)影無(wú)蹤。為什么大自然不能一碗水端平，平等對(duì)待這對(duì)孿生兄弟呢？

LHCb實(shí)驗(yàn)將尋找物質(zhì)與反物質(zhì)之間的差異，幫助解釋大自然為何如此偏向。此前的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)觀察到兩者之間的些許不同，但迄今為止的研究發(fā)現(xiàn)還不足以解釋宇宙中的物質(zhì)和暗物質(zhì)為何在數(shù)量上呈現(xiàn)出明顯的不均衡。

“大爆炸”的秘密——物質(zhì)在宇宙誕生后的第一秒呈什么狀態(tài)？

構(gòu)成宇宙萬(wàn)物的物質(zhì)據(jù)信來(lái)源于一系列密集而熾熱的基本粒子?，F(xiàn)在宇宙中的普通物質(zhì)由原子構(gòu)成，原子擁有一個(gè)由質(zhì)子和中子構(gòu)成的核子，質(zhì)子和中子都是被稱(chēng)之為“膠子”的其它粒子束縛夸克形成的。這種束縛非常強(qiáng)大，但在最初的宇宙，由于溫度極高加之能量巨大，膠子很難將夸克結(jié)合在一起。也就是說(shuō)，這種束縛似乎是在“大爆炸”發(fā)生后的最初幾微秒內(nèi)形成的，此時(shí)的宇宙擁有一個(gè)由夸克和膠子構(gòu)成的非常熾熱而密集的混合物，也就是所說(shuō)的“夸克-膠子等離子體”。

ALICE實(shí)驗(yàn)將利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)模擬大爆炸發(fā)生后的原始宇宙形態(tài)，分析夸克-膠子等離子體的性質(zhì)。

隱藏的世界——空間的額外維度真的存在嗎？

根據(jù) 愛(ài)因斯坦廣義 相對(duì)論，人類(lèi)生存的 三維空間加上 時(shí)間軸即構(gòu)成所謂四維時(shí)空。后來(lái)的理論認(rèn)為，可能存在擁有隱藏維度的空間。弦理論便暗示額外的空間維度尚未被人類(lèi)觀察到，它們似乎會(huì)在高能條件下顯現(xiàn)出來(lái)。基于這種推測(cè)，科學(xué)家將對(duì)所有探測(cè)器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)分析，以尋找額外維度存在跡象。

物理學(xué)家希望借由加速器對(duì)撞機(jī)來(lái)幫助他們解答下列的問(wèn)題：

標(biāo)準(zhǔn)模型中所流行的造成 基本粒子質(zhì)量的希格斯機(jī)制是真實(shí)的嗎？

真是如此的話，希格斯粒子有多少種，質(zhì)量又分別是多少呢？

當(dāng)重子的質(zhì)量被更精確的測(cè)量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)模型是否仍然成立的？

粒子是否有相對(duì)應(yīng)的超對(duì)稱(chēng)（SUSY）粒子存在？

為何物質(zhì)與反物質(zhì)是不對(duì)稱(chēng)的？

有更高 維度的 空間（Kaluza-Kleintheory,extradimensions）存在嗎？

我們可以見(jiàn)到這啟發(fā)弦論的現(xiàn)象嗎？

宇宙有96%的質(zhì)量是天文學(xué)上無(wú)法觀測(cè)到的，這些到底是什么？

為何 萬(wàn)有引力比起其他三個(gè)基本作用力（電磁力，強(qiáng)作用力，弱作用力）差了這么多個(gè)數(shù)量級(jí)？

重離子對(duì)撞機(jī)

雖然LHC的物理實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，著重于研究質(zhì)子對(duì)撞后的現(xiàn)象。然而，短期的如每年一個(gè)月的重離子對(duì)撞也在實(shí)驗(yàn)計(jì)劃之中。雖然其他較輕的離子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)也是可行的，主要的規(guī)劃為鉛離子的對(duì)撞實(shí)驗(yàn)。

利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）進(jìn)行的6項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都將均在國(guó)際合作的模式下完成，這些實(shí)驗(yàn)將世界各地的研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家聚集在一起，共同見(jiàn)證激動(dòng)人心的一刻。每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都截然不同，這是由其使用的粒子探測(cè)器的獨(dú)特性所決定的。兩項(xiàng)大規(guī)模實(shí)驗(yàn)——ATLAS（超環(huán)面儀器實(shí)驗(yàn)的英文縮寫(xiě)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)ATLAS）和 CMS（緊湊渺子線圈實(shí)驗(yàn)的英文縮寫(xiě)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)CMS）——均建立在多用途探測(cè)器基礎(chǔ)之上，用于分析在加速器中撞擊時(shí)產(chǎn)生的數(shù)量龐大的粒子。兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的研究規(guī)模和研究層面均達(dá)到前所未有的程度。使用兩個(gè)單獨(dú)設(shè)計(jì)的探測(cè)器是交叉確認(rèn)任何新發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。

兩項(xiàng)中型實(shí)驗(yàn)—— ALICE（大型離子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)的英文縮寫(xiě)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)ALICE）和LHCb(LHC底夸克實(shí)驗(yàn)的英文縮寫(xiě)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)LHCb）——利用特殊的探測(cè)器，分析與特殊現(xiàn)象有關(guān)的撞擊。

另外兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)—— TOTEM（全截面彈性散射偵測(cè)器實(shí)驗(yàn)的英文縮寫(xiě)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)TOTEM）和LHCf(LHC前行粒子實(shí)驗(yàn)的英文縮寫(xiě)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)LHCf）——的規(guī)模就要小得多。它們的焦點(diǎn)集中在“前行粒子”（質(zhì)子或者重離子）身上。在粒子束發(fā)生碰撞時(shí)，這些粒子只是擦肩而過(guò)，而不是正面相撞。

ATLAS、CMS、ALICE和LHCb探測(cè)器安裝在4個(gè)地下巨洞，分布在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)周?chē)?。TOTEM實(shí)驗(yàn)用到的探測(cè)器位于CMS探測(cè)器附近，LHCf實(shí)驗(yàn)用到的探測(cè)器則位于ATLAS探測(cè)器附近。

大型離子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)行大型離子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將讓鉛離子進(jìn)行對(duì)撞，在實(shí)驗(yàn)室條件下重建“大爆炸”之后的宇宙初期形態(tài)。獲得的數(shù)據(jù)將允許物理學(xué)家研究 夸克- 膠子 等離子體的性質(zhì)和狀態(tài)，這種物質(zhì)據(jù)信在“大爆炸”發(fā)生后只存在很短時(shí)間。

宇宙的所有普通物質(zhì)都是由 原子構(gòu)成，每個(gè)原子擁有一個(gè)由 質(zhì)子和 中子構(gòu)成的核子，核子周?chē)h(huán)繞著電子。質(zhì)子和中子都是被稱(chēng)之為“膠子”的其它粒子束縛夸克形成的。這種不可思議的強(qiáng)大束縛意味著，獨(dú)立的夸克是永遠(yuǎn)也不會(huì)被發(fā)現(xiàn)的。

共有來(lái)自28個(gè)國(guó)家的94個(gè)研究機(jī)構(gòu)的1000多名科學(xué)家參與ALICE實(shí)驗(yàn)。

ALICE探測(cè)器相關(guān)資料

尺寸：長(zhǎng)26米，高16米，寬16米

重量：1萬(wàn)公噸

位置：法國(guó)小鎮(zhèn)圣吉利斯-珀利(StGenis-Pouilly）。

超環(huán)面儀器實(shí)驗(yàn)

超環(huán)面儀器實(shí)驗(yàn)ATLAS是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)兩個(gè)通用探測(cè)器中的一個(gè)。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)涉及到物理學(xué)的很多領(lǐng)域，包括尋找希格斯玻色子、 額外維度以及構(gòu)成 暗物質(zhì)的粒子。與CMS的實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊粯樱珹TLAS也將記錄與撞擊時(shí)產(chǎn)生的粒子有關(guān)的類(lèi)似數(shù)據(jù)，即它們的路徑、能量以及特性等等。雖然實(shí)驗(yàn)?zāi)康南嗤?，但ATLAS和CMS探測(cè)器的磁鐵系統(tǒng)卻采用了完全不同的技術(shù)和設(shè)計(jì)。

ATLAS探測(cè)器巨大的圓環(huán)形磁鐵系統(tǒng)是它的主要特征。這一系統(tǒng)由8個(gè)25米長(zhǎng)的超導(dǎo)磁鐵線圈組成。磁鐵線圈分布在貫穿探測(cè)器中心的粒子束管周?chē)?，形成一個(gè)“圓筒”。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，磁場(chǎng)將被包含在線圈分離出的中央柱形空間內(nèi)。

共有來(lái)自37個(gè)國(guó)家的159個(gè)研究機(jī)構(gòu)的1700多名科學(xué)家參與ATLAS實(shí)驗(yàn)。

ATLAS探測(cè)器相關(guān)資料

尺寸：長(zhǎng)46米，高25米，寬25米，是迄今為止制造的個(gè)頭最大的粒子探測(cè)器。

重量：7000公噸

位置：瑞士 梅林(Meyrin)

緊湊渺子線圈實(shí)驗(yàn)

CMS實(shí)驗(yàn)利用一個(gè)通用探測(cè)器，對(duì)物理學(xué)的很多領(lǐng)域進(jìn)行研究，包括尋找 希格斯玻色子、額外維度以及構(gòu)成 暗物質(zhì)的粒子。雖然實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐cATLAS相同，但這個(gè)探測(cè)器的磁鐵系統(tǒng)卻采用了完全不同的技術(shù)和設(shè)計(jì)。

CMS探測(cè)器是在一個(gè)巨型螺管式 磁鐵基礎(chǔ)上建成的。它采用圓柱形超導(dǎo)電纜線圈，可產(chǎn)生4特斯拉的磁場(chǎng)，相當(dāng)于地球磁場(chǎng)的10萬(wàn)倍。這個(gè)巨大磁場(chǎng)受一個(gè)“鐵軛”限制——探測(cè)器1.25萬(wàn)公噸的重量大部分來(lái)自“鐵軛”。與大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的其它巨型探測(cè)器有所不同的是，CMS探測(cè)器并不是在地下建造，而是選在地上，后分成15個(gè)部分被運(yùn)至地下，最后完成組裝，這也算得上它的一大特色。

共有來(lái)自37個(gè)國(guó)家的155個(gè)研究機(jī)構(gòu)的2000多名科學(xué)家參與CMS實(shí)驗(yàn)。

CMS探測(cè)器相關(guān)資料

尺寸：長(zhǎng)21米，寬15米，高15米

重量：1.25萬(wàn)公噸

位置：法國(guó) 塞希(Cessy）。

LHC底夸克探測(cè)器（LHCb）

LHCb實(shí)驗(yàn)將有助于我們理解人類(lèi)為何生活在一個(gè)幾乎完全由物質(zhì)而非反物質(zhì)構(gòu)成的宇宙。它通過(guò)研究一種稱(chēng)為“美夸克”（beauty quark）的粒子，專(zhuān)門(mén)對(duì)物質(zhì)和反物質(zhì)之間的微妙差異展開(kāi)調(diào)查。LHCb實(shí)驗(yàn)不是將整個(gè)撞擊點(diǎn)同密封探測(cè)器圍起來(lái)，而是使用一系列子探測(cè)器去主要探測(cè)前行粒子(forward particle）。第一個(gè)子探測(cè)器將安裝到撞擊點(diǎn)附近，而接下來(lái)的幾個(gè)將會(huì)一個(gè)挨一個(gè)安裝，它們的長(zhǎng)度都超過(guò)20米。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將創(chuàng)造出大量不同類(lèi)型的夸克，然后它們將快速蛻變?yōu)槠渌?lèi)型。為捕捉到“美夸克”，LHCb項(xiàng)目小組已開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的可移動(dòng)跟蹤探測(cè)器，并安裝在圍繞于大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)周?chē)墓馐窂礁浇?。LHCb項(xiàng)目小組由來(lái)自13個(gè)國(guó)家48所研究機(jī)構(gòu)的650位科學(xué)家組成。

LHC底夸克探測(cè)器相關(guān)資料

重量：5600噸

設(shè)計(jì)：具有平面探測(cè)器的前向接受譜儀

地點(diǎn)：法國(guó)費(fèi)爾奈-伏爾泰

全截面彈性散射探測(cè)器

全截面彈性散射探測(cè)器實(shí)驗(yàn)研究前行粒子，以重點(diǎn)分析普通實(shí)驗(yàn)難以獲得的物理學(xué)原理。在一系列研究中，它將測(cè)量質(zhì)子大小，還將準(zhǔn)確監(jiān)控大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的光度。想要做到這一點(diǎn)，全截面彈性散射探測(cè)器就必須要捕捉到距大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)光束非常近的距離產(chǎn)生的粒子。它由一組安放在稱(chēng)為“羅馬罐”（Romanpot）的特制真空室的探測(cè)器組成。

“羅馬罐”同大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的光束管道相連。8個(gè)“羅馬罐”將被一對(duì)一對(duì)地置于CMS實(shí)驗(yàn)撞擊點(diǎn)附近的四個(gè)地點(diǎn)。盡管從科學(xué)意義上講這兩次實(shí)驗(yàn)是獨(dú)立的，但TOTEM實(shí)驗(yàn)將是CMS探測(cè)器和其他大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)所獲結(jié)果的有力補(bǔ)充。來(lái)自8個(gè)國(guó)家10所研究機(jī)構(gòu)的50位科學(xué)家將參與TOTEM實(shí)驗(yàn)。

全截面彈性散射探測(cè)器相關(guān)資料

尺寸：長(zhǎng)440米，高5米，寬5米

重量：20噸

設(shè)計(jì)：“羅馬罐”，GEM探測(cè)器和陰極條感應(yīng)室

地點(diǎn)：法國(guó) 塞斯（位于CMS附近）

LHCf探測(cè)器

LHCf實(shí)驗(yàn)將用于研究大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的前行粒子，作為在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬宇宙射線的來(lái)源。宇宙射線是自然產(chǎn)生于外太空的帶電粒子，不斷轟擊地球 大氣層。它們?cè)诟邔哟髿馀c核子相撞，產(chǎn)生一連串到達(dá)地面的粒子。研究大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)內(nèi)部撞擊如何引起類(lèi)似的粒子串有助于科學(xué)家

LHCf探測(cè)器相關(guān)資料

尺寸：兩個(gè)探測(cè)器，每個(gè)長(zhǎng)30厘米，高80厘米，寬13厘米

重量：每個(gè)重40公斤

地點(diǎn)：瑞士梅林（位于ATLAS附近）

粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)

2015年3月26日，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，在中斷了兩年之后，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)終于準(zhǔn)備再次啟動(dòng)，進(jìn)行能量更強(qiáng)的粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)本應(yīng)于本周開(kāi)始，然而由于上周六剛剛發(fā)現(xiàn)的一起短路故障，這一計(jì)劃不得不向后推遲。^[4]

LHC的建造經(jīng)費(fèi)最初是1995年通過(guò)的一筆26億瑞朗，另有一筆兩億一千萬(wàn)元瑞朗的經(jīng)費(fèi)作為實(shí)驗(yàn)之用。然而，經(jīng)費(fèi)超支。在2001年的一次主要審核預(yù)期，將需增加四億八千萬(wàn)元瑞朗在加速器的建造，與五千萬(wàn)元瑞朗的支出在實(shí)驗(yàn)運(yùn)作上。同時(shí)，由于CERN年度預(yù)算的縮減，LHC的完工日期由2005年延后到2007年四月，以使用更多年度預(yù)算來(lái)支付。其中增加的一億八千萬(wàn)元瑞朗，在于超導(dǎo)磁鐵的制造上。另外，尚有在興建放置CMS的地下洞穴時(shí)，遭遇到工程技術(shù)上的困難。預(yù)期的建造總額約為八十億元美金。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將兩束質(zhì)子分別加速到14TeV（14萬(wàn)億電子伏特）的極高能量狀態(tài)，并使之對(duì)撞。其能量狀態(tài)可與宇宙大爆炸后不久的狀態(tài)相比。粒子物理學(xué)家將利用質(zhì)子碰撞后的產(chǎn)物探索物理現(xiàn)象，例如，尋找標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希格斯粒子、探索超對(duì)稱(chēng)、額外維等超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。

或許有人會(huì)認(rèn)為，像高能物理學(xué)領(lǐng)域高深的理論研究與我們的日常生活沒(méi)關(guān)系，花費(fèi)數(shù)十億美元有些不值得。100多年前，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)了質(zhì)能 方程，那就是質(zhì)量與能量可以互相轉(zhuǎn)化。許多人也認(rèn)為這個(gè)方程毫無(wú)用處。但是，以這種理論指導(dǎo)而研制出來(lái)的原子彈，讓人們見(jiàn)識(shí)了高能物理的可怕之處。隨后，核能用于發(fā)電，又讓人們認(rèn)識(shí)到質(zhì)能方程真正改善了我們的生活。

LHC可以使人類(lèi)的科學(xué)技術(shù)邁進(jìn)一大步。例如，反物質(zhì)的形成與合成將變得可能。尋找到反物質(zhì)及其合成方法，將有可能解決我們的能源危機(jī)問(wèn)題，并且成為太空旅行和星際旅行的首選燃料。反物質(zhì)擁有難以置信的力量，僅僅是少量的反物質(zhì)，其與物質(zhì)湮滅所產(chǎn)生的能量就可以與幾百萬(wàn)噸當(dāng)量的核彈相提并論。（物質(zhì)與反物質(zhì)的湮滅質(zhì)能轉(zhuǎn)化率為100%，是核彈的幾十倍。）將來(lái)有一天，不但人類(lèi)可以乘坐反物質(zhì)推動(dòng)的飛船遨游太空，家里的電器使用的 電能也將來(lái)自反物質(zhì)發(fā)電廠。

此外，在建造這個(gè)大型實(shí)驗(yàn)裝置的過(guò)程中，科學(xué)家已經(jīng)獲得了許多科研成果，已經(jīng)改善了我們的生活。比如，我們今天常用的 互聯(lián)網(wǎng)最初就是歐洲核子研究中心的科學(xué)家為了解決數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題而發(fā)明的。另外，強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)還將帶來(lái)一些意想不到的科研成果，譬如改進(jìn)癌癥治療、摧毀核廢料的方法以及幫助科學(xué)家研究氣候變化等。現(xiàn)有的放射療法可能會(huì)在殺死癌細(xì)胞的同時(shí)傷害周?chē)慕】到M織，對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的高能粒子束能夠?qū)⑦@種傷害降到最低，因?yàn)樗鼈兡軌虼┻^(guò)健康組織，只對(duì)腫瘤發(fā)揮作用。一些氣象學(xué)家表示，如果發(fā)現(xiàn)高能粒子束促成了云的形成，人們將來(lái)可以通過(guò)控制宇宙射線來(lái)改變氣候。

世界上最大的機(jī)器

世界上最快的跑道

功率達(dá)到最大時(shí)，數(shù)萬(wàn)億個(gè)質(zhì)子將在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)周?chē)募铀倨鳝h(huán)內(nèi)以每秒1.1245萬(wàn)次的頻率急速穿行，它們的速度是光速的99.9999991%。兩束質(zhì)子束分別以70000億電子伏特的最大功率相向而行，在功率達(dá)到140000億電子伏特時(shí)發(fā)生碰撞。每秒總共能發(fā)生大約6億次撞擊。

太陽(yáng)系中最空的空間

為了避免加速器中的粒子束與空氣分子相撞

銀河系最熱點(diǎn)

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是一個(gè)極熱和極冷并存的機(jī)器。當(dāng)兩束質(zhì)子束相撞時(shí)，它們將在一個(gè)極小的空間內(nèi)產(chǎn)生比太陽(yáng)中心熱10萬(wàn)倍的高溫。與之相比，促使超流體氦在加速器環(huán)周?chē)h(huán)的制冷分配系統(tǒng)，讓大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)保持在零下271.3℃（1.9開(kāi)氏度）的超低溫環(huán)境下，這個(gè)溫度比外太空的溫度還低。

史上最先進(jìn)的探測(cè)器

世界最強(qiáng)大計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

記錄大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)進(jìn)行的每項(xiàng)大試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，每年大約足夠刻10億張雙面DVD光盤(pán)。據(jù)估計(jì)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的壽命是15年。為了讓世界各地的數(shù)千名科學(xué)家在 未來(lái)15年內(nèi)通力合作，分析這些數(shù)據(jù)，分布在世界各地的好幾萬(wàn)臺(tái)電腦將利用一種被稱(chēng)作 網(wǎng)格的分散式計(jì)算網(wǎng)（distributedcomputingnetwork）實(shí)施研究工作。

世界各地的數(shù)千名科學(xué)家都希望了解并分析這些數(shù)據(jù)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，目前歐洲粒子物理研究所（CERN）正在建一個(gè)分散的計(jì)算和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存設(shè)施——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)計(jì)算網(wǎng)格（LCG）。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，將通過(guò)歐洲粒子物理研究所記錄在磁帶進(jìn)行原始文件備份后，再分發(fā)到世界各地。經(jīng)過(guò)初始加工，這種數(shù)據(jù)將被傳送到可為大量數(shù)據(jù)提供充足儲(chǔ)存空間的一系列大型計(jì)算機(jī)中心，這些計(jì)算機(jī)中心一天二十四小時(shí)不停地為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)計(jì)算網(wǎng)格提供服務(wù)。

中國(guó)臺(tái)灣也參與其中，負(fù)責(zé)其中兩項(xiàng)重要系統(tǒng)的研發(fā)，并處理龐大實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。亞洲唯一的電腦中心就設(shè)在臺(tái)灣的中研院。這次臺(tái)灣約有40名科學(xué)家參與這項(xiàng)國(guó)際實(shí)驗(yàn)，負(fù)責(zé)世界上最大與最重的偵測(cè)器研發(fā)，而且處理龐大實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所倚賴(lài)的「網(wǎng)格電腦」就設(shè)在臺(tái)灣的中研院。

經(jīng)過(guò)這些計(jì)算機(jī)中心的處理，其他設(shè)備就可使用這些數(shù)據(jù)了，其他的設(shè)備每個(gè)都有一個(gè)或幾個(gè)實(shí)施特殊分析任務(wù)的聯(lián)合計(jì)算機(jī)中心組成。當(dāng)個(gè)科學(xué)家可通過(guò)大學(xué)部門(mén)的局域網(wǎng)或個(gè)人電腦了解這些設(shè)備，這些人可能會(huì)經(jīng)常查看大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)計(jì)算網(wǎng)格。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）產(chǎn)生的能量是其他粒子加速器以前都無(wú)法達(dá)到的，但是自然界中的宇宙光相撞產(chǎn)生了更高的能量。多年來(lái)，這種高能粒子相撞產(chǎn)生的能量的安全性問(wèn)題，一直備受關(guān)注。據(jù)新實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和對(duì)相關(guān)理論的新認(rèn)識(shí)顯示，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)安全評(píng)估團(tuán)（LSAG）已經(jīng)重新校正了該團(tuán)在2003年做出的一份調(diào)查分析。這個(gè)安全評(píng)估團(tuán)由中立派科學(xué)家組成。

2003年，有關(guān)報(bào)告稱(chēng)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)碰撞不存在風(fēng)險(xiǎn)，因此沒(méi)理由對(duì)安全問(wèn)題過(guò)多關(guān)注?，F(xiàn)在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)安全評(píng)估團(tuán)對(duì)這些結(jié)論進(jìn)行了重新審定和補(bǔ)充。不管大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將要做什么，自然界在地球和其他天體的一生中，已經(jīng)這樣做了很多次。歐洲粒子物理研究所科學(xué)政策委員會(huì)（CERN's Scientific Policy Committee）已經(jīng)重新審查了大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)安全評(píng)估團(tuán)的報(bào)告，并對(duì)該團(tuán)的觀點(diǎn)表示贊成。歐洲粒子物理研究所科學(xué)政策委員會(huì)是由為歐洲粒子物理研究所的主管團(tuán)體——董事會(huì)提建議的院外科學(xué)家組成。歐洲粒子物理研究所總結(jié)出的主要論據(jù)，可支持大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)安全評(píng)估團(tuán)的論文觀點(diǎn)。任何對(duì)更多細(xì)節(jié)感興趣的人，都被鼓勵(lì)直接商討這個(gè)問(wèn)題和它涉及的技術(shù)科學(xué)論文。

2014年7月，中國(guó)北京高能物理研究所正在籌備一個(gè)兩倍于LHC的環(huán)形粒子對(duì)撞機(jī)。

中國(guó)將要修建的對(duì)撞機(jī)周長(zhǎng)達(dá)到了52公里，對(duì)撞能量高達(dá)70 TeV。按計(jì)劃，中國(guó)的對(duì)撞機(jī)將在初期階段只針對(duì)電子，且對(duì)撞能量?jī)H有能量240 GeV，而后期則逐漸開(kāi)足馬力進(jìn)行質(zhì)子對(duì)撞。

預(yù)計(jì)中國(guó)的對(duì)撞機(jī)將在2028年投入使用，耗資30億美元，目前尚不清楚這是否是一個(gè)與國(guó)外同行攜手進(jìn)行的聯(lián)合項(xiàng)目。^[5]

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