世界上最大能量最高的粒子加速器---大型强子对撞机

文章来源：原理

在法国和瑞士边界的地下深处，运行着世界上最大（周长27公里）、能量最高的粒子加速器大型强子对撞机（LHC）。

在LHC内，科学家的目标是要让大量的质子进行对撞，它们之间的碰撞次数越多，也就越有机会观测到一些罕见的事件。

但在对撞之前，质子会被加速到接近光速的速度。带正电荷的质子会在电场中加速，并在磁场的引导下绕着环形的隧道加速前进。

2010年，LHC首次实现了高能的质子-质子对撞，开启了粒子物理学的全新时代。从反物质到暗物质，从希格斯玻色子到早期宇宙，都是LHC的探索目标。

在过去十年里，科学家收集了海量的粒子碰撞数据，取得了许许多多的学术成果，加深了我们对基础物理学的理解。而其中这三个结论或许是最为重大：

　　成功证明了此前粒子物理学标准模型缺失的最后一块希格斯玻色子的存在；

进一步巩固了标准模型的有效性，并未发现任何超越标准模型的证据；

在标准模型的框架之内，LHC以前所未有的精度探测到了一些新的现象，这些结果扩展和加深我们对标准模型的理解。

预计在LHC结束它的使命之前，未来还将有近20个项目在这里展开。目前，这一巨大的、全球性的实验室给物理学带来了巨大的影响。接下来，我们跟随着一些数字来了解LHC：

~ 800万

在LHC投入运行的不久后，ATLAS和CMS项目就在2012年7月作出了这个世纪最伟大的发现之一证明了希格斯玻色子的存在。它标志着长达数十年对希格斯玻色子探索的结束，也开辟了新的探索前景。在刚刚发现希格斯玻色子时，科学家对这种粒子的性质和相互作用知之甚少；八年过去了，随着对希格斯玻色子的了解的深入，我们对于整个基础物理学领域的理解也变得更加清晰。

一个有趣的问题是，LHC究竟产生了多少个让科学家苦苦寻找了如此之久的希格斯玻色子呢？

这个数字是800万左右。虽然不可能确切知道LHC产生的希格斯玻色子的实际数量，但通过标准模型的方程，科学家可以预测LHC应该产生了多少希格斯玻色子。在计算中，科学家把所有可能产生希格斯玻色子的过程，每种过程产生希格斯玻色子的可能性，碰撞的能量以及碰撞次数的总和都考虑了在内。

通过这些计算，科学家精确地定义了希格斯粒子的质量、电荷、自旋和半衰期。他们还在继续研究希格斯粒子与其他粒子的不同作用方式，并将其作为寻找超越标准模型的新物理学的重要工具。

278

这个数字代表数据量。在过去的十年里，LHC的实验收集了278PB的数据。这意味着科学家需要处理和分析的数据量非常庞大。

2725

随着LHC的科学家不断地梳理数据，研究那些罕见的现象，以及寻找新的物理学，每周他们发表学术论文的数量都在稳步增长。这些论文中也包括成千上万的学生在获取博士学位征途上所完成的工作。到目前为止，产生了2725篇学术论文。

75亿

物理学家的研究离不开强大的计算能力，他们对计算能力的需求远远超过我们日常所用的标准笔记本电脑所能支持的。每天都有数千名物理学家向全球LHC计算网格（WLCG）提交约200万项工作，每项工作都是科学发展的重要组成部分。

39.5万兆

LHC的四个主要实验所发生的碰撞次数总共大约为39.5万兆次，更专业地说，这相当于395 fb，fb是核物理学中常用的面积单位，1 fb相当于100万亿次撞击。

这是个怎样的数量级呢，作为比较，我们可以参考LHC的前身位于美国能源部费米国家加速器实验室的Tevatron加速器在历时25年的质子-反质子对撞过程中，它为两个实验提供了大约20 fb，这在当时是史无前例的。而现在，仅ATLAS或CMS这两个实验（~190 fb）记录的碰撞次数就远远超过了Tevatron的记录。

1

当LHC在运行时，会有300多万亿个质子会沿着加速器的两个束管环绕。有趣的是，如此庞大的天文数字所对应的质量却是相当之小，即使把自2010年以来LHC加速过的所有质子加起来，其质量也只有1微克左右，其大小只相当于一颗花粉而已。

300

CERN的知识转移部门会与学术和工业组织合作，为在CERN开发的技术寻找可用于粒子物理研究之外的用途。自2010年以来，CERN已经与安全、医学技术和航空航天工程等领域的大学和公司签署了300多份知识转移合同。一个值得一提的合作是一个父子医疗团队，他们在2018年使用CERN Medipix读取芯片，开发了世界上第一个3D彩色X射线。

~ 1000万

欧洲核子研究中心的餐厅每天要消耗大约30公斤咖啡。一公斤咖啡通常可以煮120到140杯咖啡，也就这里每天大约消耗4000杯！在过去十年间，这里共消耗了约1000万杯咖啡。

10329 2947

欧洲核子研究中心的国家和国际教师项目欢迎教师团体到实验室进行为期三天到两周的活动。在他们逗留期间，教师们参观实验，与物理学家交谈，并讨论如何将现代物理学引入他们的教室。10329名教育工作者参加了这项活动。除了教育工作者外，这10年来，也有2947名来自世界各地的本科生参加了CERN的暑期学生项目。这些学生可以全身心地投入到真正的一线科学研究，了解前沿的粒子物理学，并在此过程中能受到最专业的培训、辅导和指导。

100万+

LHC除了是世界上最著名的物理实验室之一，还是一处重要的观光胜地。在过去十年，欧洲核子研究中心通过其公众参观计划，用32种语言接待了超过45000次参观，让100多万名游客得以了解这个世界上最大的物理实验室是如何工作的。在两个特别的开放日周末一个在2013年，另一个在2019年欧洲核子研究中心平均每天接待36000名游客！这与巴黎迪士尼乐园的日均游客人数大致相当。开放日期间，参观者可参观大型强子对撞机隧道等多处地点，而这些地方通常只有有授权的工作人员才能进入。