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  • 2008-09-11

    详解世界最大对撞机如何进行大爆炸实验(2) - [nature]

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    欧洲核子研究组织参观中心的大型强子对撞机模型
    如何撞击质子

    大型强子对撞机的实验原理相当简单，首先你沿着2条路径发出2束粒子，一束顺时针方向前进，另一束逆时针方向前进。你将这两束粒子加速至近光速，之后让它们相向前进，看看会发生什么    。

    当质子束进入大型强子对撞机时，我们来看看其历程如何。首先科学家剥去氢原子的电子以生产出质子，之后这些质子进入LINAC2。将质子束射向此加速器的机器叫“PS Booster”。这些机器利用叫“射频空腔”的装置来加速这些质子。这些空腔包含有射频电场，能将质子束提高到更快的速度。巨大磁铁产生的磁场可以维持质子束在轨道中正常行进。以汽车术语来说，此射频空腔相当于加速器，而磁铁相当于方向盘。

    一旦质子束到达适当的能量水平，“PS Booster”就会将它导入另一个加速器――叫“超级质子同步（SPS）”，让质子继续加速前进。至此，此质子束已经被分成了2,808束。每一束含有1.1 x 1011个质子。之后，“超级质子同步（SPS）”将质子束导入大型强子对撞机，其中一束顺时针方向前进，另一束逆时针方向前进。

    在大型强子对撞机里，质子束将继续加速前进，大约20分钟达到顶峰速度。在此顶峰速度下，此质子束将每秒绕行大型强子对撞机11,245周。这两束质子将会在大型强子对撞机沿途6个探测器位置中的1个聚合。在此位置上，它们将每秒发生6亿次撞击。当两个质子撞击时，它们就会分裂成更小的粒子，包括亚原子粒子――夸克和缓和力――胶子(一种理论上假设的无质量的粒子)。此外，它们还会产生光子、正电子和μ介子。之后，探测器将数据发送到栅格计算机系统。

    并非每一个质子都会和另一个质子发生撞击。没有发生撞击的质子将继续在质子束中运行，进入束流收集器。此束流收集器由石墨组成，将能吸收此质子束，以防大型强子对撞机里出现意外故障。
    德国总理安格拉·默克尔与一群工程师参观大型强子对撞机
    探测器如何工作

    大型强子对撞机四周的6个探测器将收集数据并引导实验。其中一些探测器将会搜寻同一种信息，但不在同一个方向。它们是4个主要的探测器和2个较小的探测器。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。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。

    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。

    紧凑μ介子螺线管(CMS)是另一种大型探测器。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。此探测器位于巨大螺管式磁铁中，此磁铁所产生的磁场比地球磁场强10万倍。

    之后就是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。通过高速撞击铁离子，科学家希望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。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。

    下一个就是大型强子对撞机完美（LHCb）探测器，其目的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验其目标。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。

    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。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。

    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。

    每一个探测器都有从几十到上千名科学家参与研制。在一些情形下，科学家将搜寻同一信息。对他们来说，这是物理学下一个革命性发现的竞技比赛。
    苏格兰物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)
    如何计算所收集到的数据

    大型强子对撞机探测器每年将收集到1500万GB的数据。因此科学家有巨大的数据处理任务。那么如何处理这么多的数据呢？如何知道这么多数据中有意义重大的数据呢？这得靠超级计算机处理才行。即使超级计算机处理这么多数据也需要数千小时。与此同时，大型强子对撞机还将继续源源不断地产生更多的数据。

    欧洲核子研究组织解决此问题的办法就是LHC计算网格。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”。

    欧洲核子研究组织的科学家决定了集中利用相对便宜的设备完成他们的计算工作，而不准备购买前沿的数据服务器和处理器。此办法类似于Google 所采用的策略。通过利用所谓中间件的特种软件，此计算机网络能贮存和分析大型强子对撞机每一次实验所产生的大量数据。此系统结构组织布局如下：
     
    0排是欧洲核子研究组织的计算机系统，将最先处理数据信息，并将它分成不同的块，供其它排的计算机处理。
     
    1排的12台计算机位于几个国家，将通过专用计算机联接来接受来自欧洲核子研究组织的数据。这些计算机联接能以每秒10GB的速度传输数据。1排的计算机将进一步处理数据，再将它分块，发送给下面一排的计算机。

    2排100多台计算机将与1排的计算机相连。其中大多数计算机是大学和科研所的计算机，每一处地方将有多台计算机投入使用，用于处理和分析数据。当每一项处理工作完成，这些地方就会将分析结果返回给前排的计算机系统。1排和2排的连接是标准的网络连接。任何2排的计算机都能访问1排的计算机，从而让大学和科研所有机会能重点获取特别的数据信息，进行特定的研究。

    如此大计算机网络的一大挑战就是数据安全。欧洲核子研究组织决定不给它装防火墙，因为这会造成此系统出现大量的数据阻塞。相反，此系统则通过身份识别和认可手续来防止未经认可的非法入侵。一些人认为数据安全的担忧是一个尚在争论中的论点，因为他们认为大型强子对撞机会最终毁灭整个世界。
     
    大型强子对撞机实验整体图
    大型强子对撞机会毁灭整个世界吗？

    大型强子对撞机将让科学家观察到更高能量的粒子撞击。一些人担心如此大能量的撞击反应会导致地球出现严重问题。实际上，有少数人已经起诉了这一事件。2008年3月，前核能安全官沃尔特•瓦格纳和卢伊斯•山其欧在夏威夷的美国联邦地方法院提交了起诉状，称大型强子对撞机会毁灭整个世界。

    那果真会如此吗？其中一个担忧是大型强子对撞机能产生黑洞，而科学家也承认大型强子对撞机能产生黑洞，但他们表示这些黑洞是亚原子级别的，且马上会崩溃。而天文学家研究的黑洞是整个恒星本身坍塌形成的，二者之间大有不同，是质量巨大的恒星比对微小的质子。

    另一个担忧是大型强子对撞机将产生奇异物质，叫“奇异子”(strangelets,一种包含非通常夸克的假想粒子物质)。奇异子的一个可能的特性就是特别令人不安。宇宙学家理论认为奇异子拥有强大引力场，能让它们将整个行星变为无生命的废物。

    科学家从多个方面来解除这种担忧。首先，他们指出奇异子是假设的。没有人在宇宙中观察到这种物质（没人观察到并不代表没有，暗物质观察不到，你们这群却正要寻找它的科学家们，能说没有？——成锡注）。其二，这些物质周围的电磁场会排斥正常物质而不是将它变成其它东西。第三，他们表示即使有这种物质存在，它们也会高度不稳定，会瞬间衰变。第四，科学家表示高能量宇宙射线将会自然产生这种物质。由于地球是圆的，因此他们理论认为奇异子将对地球无可奈何。

    此外，大型强子对撞机可能产生的另一种理论粒子是磁单极子，它是只有一个磁极而不是通常的两个磁极的一种假想的粒子。瓦格纳和山其欧提出的担忧就是这种粒子。它们能通过其不均衡的磁荷将物质分开。科学家不认同这一说法，表示如果磁单极子存在，没有理由害怕这种粒子会导致这样的破坏(why?)。事实上，至少有一支科学家小组正在积极寻找磁单极子的证据，希望大型强子对撞机会产生一些。

    其它担忧还包括辐射和高能撞击的粒子。欧洲核子研究组织表明大型强子对撞机是安全的，其上面有100米厚的防护土层。此外，实验期间不允许个人进入地下。至于此撞击事件，宇宙时刻都在发生高能宇宙射线撞击，射线时常撞击月球、太阳和其它行星，但并没有出现破坏迹象。何况这种撞击还在可控环境下进行(I hope so)。

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    成锡 发表于17:08:15 | 编辑 | 继续话题 | 转发 | 分享　0