大型强子对撞机的工作原理

世界上最强大的粒子加速器大型强子对撞机 (LHC) 于 2012 年发现了人们长期寻找的希格斯玻色子，从而颠覆了物理学。但当时它的运行功率只有一半。自那以后，LHC 进行了大规模升级，今年春天，它将再次以接近满功率运行。未来三年，超过 12,000 名科学家将使用 LHC 探索粒子物理学中最深奥、最奇怪的问题。他们将发现什么——新的粒子、力，甚至维度——谁也说不准。

工作原理

1. 加速：对撞机占据了一条近 17 英里长的环形隧道。两束质子束沿相反方向绕环行进，穿过保持超高真空的管道，并由温度低于外太空的超导磁体引导。质子以接近光速的速度移动，每秒进行 11,245 次循环。

2. 碰撞：光束在四个主探测器中交叉，粒子每秒碰撞 8 亿次。在即将到来的运行中，这些碰撞将产生前所未有的 13 兆电子伏特。这是蚊子运动能量的 13 倍，但被挤在一个比蚊子小一万亿倍的空间里——密度与大爆炸后的时刻相似。

3. 创造：正如爱因斯坦在 E=mc2 中提出的理论，能量可以转化为质量（反之亦然）。因此，两个质子碰撞的能量可以结合并转化为大量新粒子，包括顶夸克——迄今为止观测到的最重的亚原子粒子。由于它们不稳定，这些粒子会迅速衰变成许多新粒子。

4. 探测：当这些次级粒子飞离碰撞点时，探测器会测量它们的属性，包括空间位置、能量、动量、质量和电荷。物理学家利用这些信息推断碰撞时产生的粒子的身份，并在数据中寻找可能预示全新事物的异常。

ATLAS 探测器

ATLAS 体积达 28,750 立方米，是迄今为止建造的最大体积粒子探测器，其设计初衷是进行最广泛的实验。当粒子碰撞时，四个组件会记录结果：内部探测器测量动量；量热仪测量能量；μ 介子光谱仪跟踪μ 介子（碰撞副产品）；磁体系统弯曲带电粒子。由于数据速率相当于同时拨打 500 亿个电话，因此它还具有决定哪些数据应被记录或忽略的系统。

本文最初发表于 2015 年 4 月的《大众科学》杂志，属于我们年度《工作原理》系列的一部分。