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什么是大型强子对撞机,它的作用是什么?

关键要点

  • lhc是在1998年至2008年间建造的,有10000名科学家和100多个国家参与其中。
  • 作为一种特殊类型的粒子加速器,lhc几乎有600英尺高,周长为17英里。
  • 它的作用是使科学家能够观察两束粒子发生碰撞的结果。

有时候,科学家需要一个加速的理由。有趣的是,这不仅仅是为了好玩,也不仅仅是为了满足某种对速度的深层需求。粒子加速是许多不同学科中科学过程的重要组成部分。在科学中,粒子加速器是一种旨在增加带电粒子速度并将这些粒子引导到一束上的机器。在研究过程中,科学家将粒子束引导到目标上,以便观察原子、分子、物理定律以及它们如何受到粒子束的影响。

大型强子对撞机(lhc)就是这样一个粒子加速器的例子。实际上,lhc是世界上最强大的粒子加速器。但是lhc的目的是什么呢?它是做什么的,以及它未来的目标是什么?让我们在下面详细介绍。

什么是大型强子对撞机?

大型强子对撞机是同类设备中最大和能量最高的设备。lhc的周长为17英里,深埋地下近600英尺(或100米),它是一种特殊类型的粒子加速器,称为对撞机。这意味着lhc会将两束粒子相撞,然后科学家观察结果。碰撞后,科学家观察原子、分子和参与其中的物理定律。

它是在1998年至2008年间建造的,得到了10000多名科学家、100多个国家以及世界各地无数大学和实验室的帮助。欧洲核子研究组织(简称cern)在日内瓦附近建造了这个加速器,正好位于法国和瑞士的边境之下。

cern的lhc在其17英里的周长上有四个不同的交叉点。这些交叉点是粒子加速后发生碰撞的地方。七个不同的探测器放置在这些交叉点周围,每个探测器都专门设计用于观察和探测特定现象。

大型强子对撞机的功能是什么?

大型强子对撞机是一系列复杂的机器,每个机器的能量都在不断增加。在20世纪80年代初,科学家开始思考什么样的设备可以取代大型电子-正电子对撞机(lep)(连lep都还没有建成和运行!)。关于lhc的这些早期设想一直放在后炉中,直到1994年底和1995年初,cern理事会决定开始规划。到1995年底,他们有了一个技术设计报告。到1998年,建设开始。

但是大型强子对撞机到底是做什么的呢?尽管阴谋论者想让你相信它的目的是打开通往另一个世界的门户,但事实上它比那更加现实。简单地说,lhc促进质子束的碰撞。除此之外,lhc还可以加速重离子束。

lhc的目标是让物理学家测试不同的粒子物理理论的预测。像lhc这样的对撞机被设计成将粒子加速到最高动能,然后与其他粒子碰撞。观察这些碰撞的后果使科学家能够研究亚原子世界的结构,以及更深入地了解自然法则本身。(不需要任何传送门。)

作为同类中最大、能量最高的装置,大型强子对撞机位于地下近600米处,周长为17英里。

大型强子对撞机的目的是什么?

欧洲核子研究组织的大型强子对撞机在整个宇宙中似乎并不重要,但事实上lhc的存在是为了找到物理学领域一些最基本的未解问题的答案。lhc的发现有可能解决有关空间和时间、量子力学乃至广义相对论的一些长期未解的问题。

科学家希望通过lhc回答一些具体的问题,如下所述。

质量的起源是什么?

为了在质量起源上取得突破性的发现,科学家希望lhc能够进一步研究希格斯玻色子理论——赋予粒子质量的理论。

是否存在超对称性的证据?

超对称性理论表明,目前人们所知的标准粒子实际上可能被更大的粒子所取代。如果lhc能找到超对称性的证据,将有助于统一基本力量。

反物质在哪里?

如果物质和反物质都在大爆炸中产生,那么为什么存在更多的物质而不是反物质?我们知道能量不能被创造或销毁,所以如果这对于能量成立,那么对于物质和反物质也必须成立。也许lhc能够揭示这个理论的更多信息。

暗物质和暗能量的起源是什么?

科学家今天所知道和观测到的粒子只占已知宇宙的4%左右。对于暗物质和暗能量背后的粒子进行不懈的搜索,lhc可以帮助揭开这一谜团,还可以进行有关黑洞和虫洞起源的研究。

到目前为止,大型强子对撞机取得了哪些成就?

自2008年竣工以来,大型强子对撞机已经进行了两次成功运行:2010年至2013年和2015年至2018年。每次运行都带来了一系列的发现和成就。

第一次运行(2010-2013年)

  • 创造了光束强度世界纪录
  • 实现了8兆电子伏特(tev)的首次碰撞
  • 发现了希格斯玻色子
  • 实现了超过一百万亿次碰撞

第二次运行(2015-2018年)

  • 实现了13 tev的首次碰撞
  • 用来碰撞氙离子,试图解开有关夸克胶子等离子体的谜团
  • 进一步探索希格斯玻色子
  • 实现了超过1,600万亿次碰撞

大型强子对撞机未来的发展方向是什么?

虽然2010年至2013年和2015年至2018年的两次运行已经结束,但大型强子对撞机于2022年4月开始进行第三次运行。预计这次第三次运行将是lhc迄今为止最长的一次,一直延续到2026年。这次第三次运行的目标是什么呢?

第三次运行(2022-2026)

  • 进一步研究夸克胶子等离子体
  • 额外研究希格斯玻色子
  • 持续研究亚原子物理定律
  • 更多研究黑洞和虫洞的起源

未来升级

在2026年第三次运行结束后,欧洲核子研究中心计划对lhc进行高亮度升级。这将使它们能够增加到14tev或更高,更不用说让科学家有机会揭示更罕见的发现和测量了。(而且,如果那些阴谋论者是可信的话,也许甚至能打开通往另一个世界的门?)

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