本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点
他们称它为“机器”。
成千上万在大型强子对撞机(LHC)工作的物理学家正在寻找希格斯玻色子和其他新的粒子,他们中的许多人参与了建造巨大的探测器,这些探测器最近成了媒体关注的焦点。
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但在法瑞边境地下100米处嗡嗡作响的是使这一切成为可能的装置。“机器”本身就是对撞机:粒子加速器,它将成群的质子输送到探测器——通过强烈的磁场引导它们,为其注入能量,最终将它们以头发的宽度相互撞击。建造粒子加速器与建造粒子探测器或寻找新的粒子是完全不同的工作。从事这项工作的专家被称为加速器物理学家。
粒子物理学家生活在一个量子世界中——一个破坏粒子、创造新粒子以及构成基本力的过程的世界——并梦想发现21世纪新的自然规律。
加速器物理学家在相对默默无闻的情况下工作,使用射频波和巨型特斯拉线圈等工具,并且主要依赖于一个多世纪以前的物理学——经典的电磁学,以及大量的狭义相对论。
当我们都在日内瓦等待明天关于希格斯玻色子的最新消息时,我遇到了林恩·埃文斯,他最近在欧洲核子研究中心(CERN)担任加速器物理学家四十年后退休。在那几年里,他参与了LHC的启动,并从1994年开始,他负责监督其设计和建造。
今天早上,埃文斯在欧洲核子研究中心的访客中心接了我。我们穿过迷宫般的相连走廊,直到走到他的车旁。开车很快就把我们带到了这个科学城堡外围的另一栋建筑物。
在那里,我们坐在他的办公室里聊天。像我交谈过的其他所有专家一样,埃文斯说,明天的公告只是朝着希格斯玻色子迈出的一步,而不是最终的答案。“对每个人来说,我们还没有足够的数据是显而易见的,”他说。
但是,为了更快地获得更多数据,粒子物理学家依赖于机器——到目前为止,这台机器已经交付了。今年,欧洲核子研究中心的加速器物理学家已经能够以比预期更快的速度提高光束强度,并产生比粒子物理学家希望获得的多五倍的碰撞。“我认为每个人都感到惊讶——即使是我,也有点惊讶”这台机器到目前为止的表现。
情况并非总是如此。就在三年前,这台机器在一场严重的事故后瘫痪了。它发生在LHC环的34扇区。2008年9月19日,在LHC首次启动一周多后,连接构成LHC的15米长、35吨重的两个磁体的电缆熔断,产生了一个电弧。突然,将磁体保持在1.9开尔文的超导温度的液氦蒸发了。设计用于释放由此产生的气体的阀门无法足够快地做到这一点,并随之发生了冲击波——如此剧烈,以至于严重损坏了53个磁体。
“从那次事故中恢复过来真的很艰难,”埃文斯说。他回忆说,当时他在人事部门,他接到了加速器控制室的电话。他很快就下去检查损坏情况,因为隧道里充满了氦气,所以他戴着呼吸器。埃文斯说,一个电接头可能会失效并不奇怪。“令人意外的是附带损害。”
LHC将氦气冷却到低温以使磁体超导,以便它们可以携带更多电流并产生更强大的磁场。但是,埃文斯解释说,在1.9开尔文时,氦气的温度比芝加哥附近费米实验室的LHC的前身Tevatron的温度还要低。特别是,它低于使其成为超流体的临界温度。
超流体是一种奇异的物质状态,它会大大降低粘度,从而使液体能够更有效地浸泡磁体所用的多孔材料,从而带走任何杂散的热量。(埃文斯说,超流体氦的导热能力也比任何其他材料高10,000倍。)
(碰巧的是,磁体的超导性和氦的超流性都是量子效应,因此说粒子加速器完全基于经典物理学已经不再完全正确了。)
当粒子物理学家为重大发现做准备时,欧洲核子研究中心的机器专家已经在展望即将到来的升级。部分原因是34扇区事故,欧洲核子研究中心已决定以一半的能量进行首次运行。但在2013年,该实验室将完全关闭加速器整整一年。
首先,欧洲核子研究中心团队将抽出液氦。其中一部分将被液化并储存,但欧洲核子研究中心没有足够的储存空间来存放其全部150吨液氦,因此它将在市场上出售大约一半的液氦。然后,他们将在机器内部循环氦气,以使其50,000吨的重量逐渐升至室温,这一过程将需要数周时间。“对你可以做到这一点的速度有限制,”埃文斯说:不太温和的温度梯度很容易破坏设备。
在停工期间,欧洲核子研究中心将把LHC提升到其设计规格,然后开始费力的冷却过程,以便加速器可以重新启动。再一次,使这一切发生将是机器人员的工作。
我之前关于希格斯玻色子的文章