大型強子對撞機

大型強子對撞機是粒子物理科學家為了探索新的粒子，和微觀量化粒子的‘新物理’機制設備，是一種將質子加速對撞的高能物理設備，英文名稱為LHC(Large Hadron Collider)。

歐洲大型強子對撞機是現在世界上最大、能量最高的粒子加速器。大型強子對撞機坐落於日內瓦附近瑞士和法國的交界侏羅山地下100米深·總長17英里（含環形隧道）的隧道內。2008年9月10日，對撞機初次啟動進行測試。

2010年，參與大型強子對撞機（LHC）項目的科學家表示，他們可能已經“接近”希格斯玻色子。希格斯玻色子也被稱之為“上帝粒子”，據說在大爆炸之後宇宙形成過程中扮演重要角色。2015年4月5日，經過約兩年的停機維護和升級後，歐洲大型強子對撞機重新啟動，正式開啟第二階段運行，希望探索‘發現’希格斯耦合粒子超對稱粒子的存在。

2018年8月，歐洲核子研究中心宣布，該機構人員用大型強子對撞機（LHC）加速了電離的鉛原子，這是該設備首次用於加速原子。

基本介紹

• 中文名：歐洲大型強子對撞機
• 外文名：Large Hadron Collider（LHC）
• 位置：瑞士和法國交界侏羅山地下100米
• 長度：17英里（精確長度26659米）

過程及目的

建造過程和探索微觀粒子的目的

大型強子對撞器，英文名稱為LHC（Large Hadron Collider）是一座位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織CERN的粒子加速器與對撞機，作為國際高能物理學研究之用。地理坐標為北緯46°14′00″，東經6°03′00″46.23;6.05， LHC已經建造完成。

CERN的大型強子對撞機

大型強子對撞機將是世界上最大、能量最高的粒子加速器，來自大約80個國家的7000名科學家和工程師。由40個國家建造。是一種將質子加速對撞的高能物理設備。它是一個圓形加速器，深埋於地下100米，它的環狀隧道有 27 公里長，坐落於在瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心（又名歐洲粒子物理實驗室），橫跨法國和瑞士的邊境。

為了節省成本，物理學家們沒有開鑿一條昂貴的新隧道來容納新的對撞機，而是決定拆掉原來安置在歐洲原子核研究中心的正負電子加速器，代之以建造大型強子對撞機所需要的5萬噸設備。當兩個質子束在環形隧道中沿著反方向運動的時候，強大的電場使它們的能量急劇增加。這些粒子每運行一圈，就會獲得更多的能量。要保持如此高能量的質子束繼續運行需要非常強大的磁場。這么強的磁場是由冷卻到接近絕對零度的超導電磁體產生的。物理學家們最希望建造的是一個30公里長的機器，它能以至少5千億電子伏的能量將電子和正電子一起粉碎。 目前；對撞機已經發現了‘希格斯粒子希格斯玻色子的存在，升級後發現‘夸克奇異重子’五種夸克的‘味變’集合體存在，改造升級能量的加大還會‘探索發現’超對稱粒子和希格斯耦合粒子與粒子的額外維相存在。

探索超對稱粒子 希格斯耦合粒子 超額外維粒子的存在

設備結構

LHC是一個國際合作的計畫，由34個國家超過兩千位物理學家所屬的大學與實驗室所共同出資合作興建的。

LHC包含了一個圓周為27公里的圓形隧道，因當地地形的緣故位於地下50至150米之間。這是先前大型電子正子加速器（LEP）所使用隧道的再利用，隧道本身直徑三米，位於同一平面上，並貫穿瑞士與法國邊境，主要的部分大半位於法國。雖然隧道本身位於地底下，尚有許多地面設施如冷卻壓縮機，通風設備，控制電機設備，還有冷凍槽等等建構於其上。

加速器通道中，主要是放置兩個質子束管。加速管由超導磁鐵所包覆，以液態氦來冷卻。管中的質子是以相反的方向，環繞著整個環型加速器運行。除此之外，在四個實驗碰撞點附近，另有安裝其他的偏向磁鐵及聚焦磁鐵。

LHC加速環的四個碰撞點，分別設有五個偵測器在碰撞點的地穴中。其中超環面儀器 （ATLAS）與緊湊渺子線圈（CMS）是通用型的粒子偵測器。其他三個（LHC底夸克偵測器（LHCb），大型離子對撞器（ALICE）以及全截面彈性散射偵測器（TOTEM）則是較小型的特殊目標偵測器。

研究歷史

1994年，大型強子對撞機項目立項後，林恩·埃文斯理所當然地就成為了這個耗資百億美元的項目的負責人。對撞機從設計到建造，都由他全權負責。14年後，在瑞士和法國交界地區地下100米深處的周長為27公里的環形隧道里，埃文斯和全球80多個國家近萬名科學家的心血結晶——大型強子對撞機正式建成。

在2005年10月25日，因為起重機載貨的意外掉落，造成一位技術人員的喪生。

2007年3月27日，由費米實驗室所負責建造，一個用於 LHC 內部的三極低溫超導磁鐵（屬於聚焦用四極磁鐵），因為支撐架的設計不良，在壓力測試時發生破損。雖然沒有造成人員的傷亡，但是卻嚴重影響了 LHC 開始運作的時程。

2008年6月15日，在埃文斯的退休儀式上，這6位主任紛紛親自出面或通過視頻向他致以敬意。他們還聯合簽署了一份檔案，將大型強子對撞機以林恩·埃文斯的名字命名，並製作了一個對撞機偶極子的小模型贈送給埃文斯。

2008年9月10日，對撞機初次啟動進行測試。埃文斯將手指放在滑鼠上，親自點擊啟動了首次測試。這次測試是研究人員將一個質子束以順時針方向注入到加速器中，讓其加速到99.9998%光速的超快速度，從而使此質子束在全長27公里的環形隧道中以每秒11245圈的速度狂飆。這一幕通過網路視頻向世界進行了直播，還有300多名記者來到此實驗室目睹測試過程。

2008年9月19日，LHC，第三與第四段之間，用來冷卻超導磁鐵的液態氦，發生了嚴重的泄漏。據推測是由於聯接兩個超導磁鐵的接點接觸不良，在超導高電流的情況下融毀所造成的。依據CERN的安全條例，必需將磁鐵升回到室溫後詳細檢查才能繼續運轉，這將需要三到四周的時間。要再冷卻回運作溫度，也是得經過三四周的時間，如此正好遇上預定的年度檢修時程，因此要開始運作將可能延遲至2009年春天。

2008年10月16日，CERN發布了關於液態氦泄漏事件的調查分析，證實了先前推測的為兩超導磁鐵間接點不良所造成的。由於安全條例確實地實行、安全設計皆有正常工作、並且替換用的零件都有庫存，預期2009年6月重啟。

運行狀況

2008年9月10日下午15：30正式開始運作，成為世界上最大的粒子加速器設施。

大型強子對撞機

2008年9月19日，LHC第三與第四段之間，用來冷卻超導磁鐵的液態氦，發生了嚴重的泄漏，導致對撞機暫停運轉。

自大約80個國家的7000名科學家和工程師參與了該項目。

60餘名中國科學家（其中近四十人為台灣科學家）參與強子對撞機實驗。四個主要實驗均有中國科研單位和高校參與，分別為：中科院高能物理研究所、中國科技大學、山東大學、南京大學參與ATLAS實驗；中科院高能物理研究所、北京大學參與CMS實驗；華中師範大學參與ALICE實驗；清華大學參與LHCb實驗。

技術原理

大型強子對撞機（LHC）是歐洲粒子物理研究所(CERN）的加速器複合體的最新補充。

電腦繪製的對撞機整體結構圖

在這個加速器裡面，2束高能粒子流在彼此相撞之前，以接近光速的速度向前傳播。這兩束粒子流分別通過不同光束管，向相反方向傳播，這兩根管子都處於超高真空狀態。一個強磁場促使它們圍繞那個加速環運行，這個強磁場是利用超導電磁石獲得的。這些超導電磁石是利用特殊電纜線製成的，它們在超導狀態下進行操作，有效傳導電流，沒有電阻消耗或能量損失。要達到這種結果，大約需要將磁體冷卻到零下271℃，這個溫度比外太空的溫度還低。由於這個原因，大部分加速器都與一個液態氦分流系統和其他設備相連，這個液態氦分流系統是用來冷卻磁體的。

大型強子對撞機利用數千個種類不同，型號各異的磁體，給該加速器周圍的粒子束指引方向。這些磁體中包括15米長的1232雙極磁體和392四極磁體，1232雙極磁體被用來彎曲粒子束，392四極磁體每個都有5到7米長，它們被用來集中粒子流。在碰撞之前，大型強子對撞機利用另一種類型的磁體“擠壓”粒子，讓它們彼此靠的更近，以增加它們成功相撞的機會。這些粒子非常小，讓它們相撞，就如同讓從相距10公里的兩地發射出來的兩根針相撞一樣。

這個加速器、它的儀器和技術方面的基礎設施的操作器，都安裝在歐洲粒子物理研究所控制中心的同一座建築內。在這裡，大型強子對撞機內的粒子流將在加速器環周圍的4個區域相撞，這4個區域與粒子探測器的位置相對應。

工作流程

兩個對撞加速管中的質子，各具有的能量為 7 TeV （兆兆電子伏特），總撞擊能量達 14 TeV之譜。每個質子環繞整個儲存環的時間為 89 微秒（microsecond）。因為同步加速器的特性，加速管中的粒子是以粒子團（bunch）的形式，而非連續的粒子流。整個儲存環將會有2800個粒子團，最短碰撞周期為 25 納秒（nanosecond）。在加速器開始運作的初期，將會以軌道中放入較少的粒子團的方式運作，碰撞周期為 75 納秒，再逐步提升到設計目標。

在粒子入射到主加速環之前，會先經過一系列加速設施，逐級提升能量。其中，由兩個直線加速器所構成的質子同步加速器 （PS）將產生50 MeV的能量，接著質子同步推進器 （PSB）提升能量到1.4GeV。而質子同步加速環可達到26 GeV的能量。低能量入射環（LEIR）為一離子儲存與冷卻的裝置。反物質減速器 （AD）可以將3.57 GeV的反質子，減速到2 GeV。最後超級質子同步加速器(SPS）可提升質子的能量到450 GeV。

LHC也可以用來加速對撞重離子，例如鉛（Pb）離子可加速到1150 TeV。由於LHC有著對工程技術上極端的挑戰，安全上的確保是極其重要的。當LHC開始運作時，磁鐵中的總能量高達100億焦耳（GJ），而粒子束中的總能量也高達725百萬焦耳（MJ）。只需要10?7總粒子能量便可以使超導磁鐵脫離超導態，而丟棄全部的加速粒子可相當於一個小型的爆炸。

創始人物

林恩·埃文斯(Lyn Evans)，歐洲大型強子對撞機的領導者。是威爾斯一位礦工的兒子，在阿布戴爾(Aberdare)中學時就對科學萌發了興趣，獲得了英國斯旺西大學的物理學博士學位。

年輕時的林恩·埃文斯

1969年，他花3個月時間訪問了歐洲核子物理研究組織（CERN）項目。從此，他和妻子以及家人就定居在這裡。65歲的威爾斯人林恩·埃文斯大概可以算得上是這個世界上對“爆炸”最執著的人了。從小就愛用各種化學物質搗鼓點小爆炸的他，長大後又對宇宙大爆炸產生了興趣。

為了模擬宇宙大爆炸，解開宇宙之謎，他一手“策劃”了堪稱世界上最大科學實驗的歐洲大型強子對撞機（LHC）項目。從設計，建造，到實驗，埃文斯已經一路伴隨這個項目走過了近16個年頭。5個月前正式從歐洲核子研究中心（CERN）退休後，埃文斯漸漸放慢了工作節奏，但他依然沒有離開LHC項目。儘管不再擔任項目負責人，他在CMS（緊湊繆子線圈）實驗小組中仍然擔任著重要工作。

研究課題

歐洲核子研究中心於2008年9月10日啟動大型強子對撞機（LHC）。這個世界上最大的機器，有望揭開宇宙起源的奧秘在內五大謎團。

過去幾十年來，物理學家不斷在細節上加深對構成宇宙的基本粒子及其互動作用的了解。了解的加深讓粒子物理學的“標準模型”變得更為豐滿，但這個模型中仍存在縫隙，以至於我們無法繪製一幅完整的圖畫。為了幫助科學家揭示粒子物理學上這些關鍵性的未解之謎，需要大量實驗數據支持，大型強子對撞機便擔負起“數據提供者”的角色，這也是非常重要的一個步驟。大型強子對撞機能夠將兩束質子加速到空前的能量狀態而後發生相撞，此時的撞擊可能帶來意想不到的結果，絕對是任何人都無法想像的。

牛頓未完成的工作——什麼是質量？

質量的起源是什麼？為什麼微小粒子擁有質量，而其它一些粒子卻沒有這種“待遇”？對於這些問題，科學家到現在也沒有找到一個確切答案。最有可能的解釋似乎可以在希格斯玻色子身上找到。希格斯玻色子是“標準模型”這一粒子物理學理論中最後一種尚未被發現的粒子，它的存在是整個“標準模型”的基石。早在1964年，蘇格蘭物理學家彼得·希格斯(Peter Higgs）便首次預言存在這種粒子，科學家多次通過這台機器觀測到這種粒子。

ATLAS和CMS實驗將積極尋找這種難於捉摸的粒子存在跡象。

一個“看不見”的問題——96%的宇宙由什麼構成？

我們在宇宙中看到的一切——從小螞蟻到巨大的星系——都是由普通粒子構成的。這些粒子被統稱為物質，它們構成了4%的宇宙。餘下的部分據信由暗物質——不發光的物質和暗能量構成，它們對於整個宇宙的構成與運行有著極其重要的作用。對它們進行探測和研究的難度不可想像。研究暗物質和暗能量的性質是當今粒子物理學和宇宙學面臨的最大挑戰之一。

ATLAS和CMS實驗將尋找超級對稱的粒子，用於驗證一種與暗物質構成有關的假設。

大自然的偏好——為什麼找不到反物質？

我們生活在一個由物質構成的世界，宇宙萬物——包括我們人類在內都是由物質構成的。反物質就像物質的一個孿生兄弟，但它卻攜帶相反電荷。在宇宙誕生時，“大爆炸”產生了相同數量的物質和反物質。然而，一旦這對孿生兄弟碰面，它們就會“同歸於盡”，並最終轉換成能量。不知何故，少量物質倖存下來，並形成我們現在生活的宇宙，而它的孿生兄弟反物質卻幾乎消失得無影無蹤。為什麼大自然不能一碗水端平，平等對待這對孿生兄弟呢？

LHCb實驗將尋找物質與反物質之間的差異，幫助解釋大自然為何如此偏向。此前的實驗已經觀察到兩者之間的些許不同，但迄今為止的研究發現還不足以解釋宇宙中的物質和暗物質為何在數量上呈現出明顯的不均衡。

“大爆炸”的秘密——物質在宇宙誕生後的第一秒呈什麼狀態？

構成宇宙萬物的物質據信來源於一系列密集而熾熱的基本粒子。現在宇宙中的普通物質由原子構成，原子擁有一個由質子和中子構成的核子，質子和中子都是被稱之為“膠子”的其它粒子束縛夸克形成的。這種束縛非常強大，但在最初的宇宙，由於溫度極高加之能量巨大，膠子很難將夸克結合在一起。也就是說，這種束縛似乎是在“大爆炸”發生後的最初幾微秒內形成的，此時的宇宙擁有一個由夸克和膠子構成的非常熾熱而密集的混合物，也就是所說的“夸克-膠子電漿”。

ALICE實驗將利用大型強子對撞機模擬大爆炸發生後的原始宇宙形態，分析夸克-膠子電漿的性質。

隱藏的世界——空間的額外維度真的存在嗎？

根據愛因斯坦廣義相對論，人類生存的三維空間加上時間軸即構成所謂四維時空。後來的理論認為，可能存在擁有隱藏維度的空間。弦理論便暗示額外的空間維度尚未被人類觀察到，它們似乎會在高能條件下顯現出來。基於這種推測，科學家將對所有探測器獲得的數據進行仔細分析，以尋找額外維度存在跡象。

物理學家希望藉由加速器對撞機來幫助他們解答下列的問題：

標準模型中所流行的造成基本粒子質量的希格斯機制是真實的嗎？

真是如此的話，希格斯粒子有多少種，質量又分別是多少呢？

當重子的質量被更精確的測量時，標準模型是否仍然成立的？

粒子是否有相對應的超對稱（SUSY）粒子存在？

為何物質與反物質是不對稱的？

有更高維度的空間（Kaluza-Kleintheory,extradimensions）存在嗎？

我們可以見到這啟發弦論的現象嗎？

宇宙有96%的質量是天文學上無法觀測到的，這些到底是什麼？

為何萬有引力比起其他三個基本作用力（電磁力，強作用力，弱作用力）差了這么多個數量級？

重離子對撞機

雖然LHC的物理實驗計畫，著重於研究質子對撞後的現象。然而，短期的如每年一個月的重離子對撞也在實驗計畫之中。雖然其他較輕的離子對撞實驗也是可行的，主要的規劃為鉛離子的對撞實驗。

科學實驗

利用大型強子對撞機（LHC）進行的6項實驗都將均在國際合作的模式下完成，這些實驗將世界各地的研究機構的科學家聚集在一起，共同見證激動人心的一刻。每一項實驗都截然不同，這是由其使用的粒子探測器的獨特性所決定的。兩項大規模實驗——ATLAS（超環面儀器實驗的英文縮寫，以下簡稱ATLAS）和CMS（緊湊渺子線圈實驗的英文縮寫，以下簡稱CMS）——均建立在多用途探測器基礎之上，用於分析在加速器中撞擊時產生的數量龐大的粒子。兩項實驗的研究規模和研究層面均達到前所未有的程度。使用兩個單獨設計的探測器是交叉確認任何新發現的關鍵所在。

兩項中型實驗——ALICE（大型離子對撞機實驗的英文縮寫，以下簡稱ALICE）和LHCb(LHC底夸克實驗的英文縮寫，以下簡稱LHCb）——利用特殊的探測器，分析與特殊現象有關的撞擊。

另外兩項實驗——TOTEM（全截面彈性散射偵測器實驗的英文縮寫，以下簡稱TOTEM）和LHCf(LHC前行粒子實驗的英文縮寫，以下簡稱LHCf）——的規模就要小得多。它們的焦點集中在“前行粒子”（質子或者重離子）身上。在粒子束髮生碰撞時，這些粒子只是擦肩而過，而不是正面相撞。

ATLAS、CMS、ALICE和LHCb探測器安裝在4個地下巨洞，分布在大型強子對撞機周圍。TOTEM實驗用到的探測器位於CMS探測器附近，LHCf實驗用到的探測器則位於ATLAS探測器附近。

大型離子對撞機實驗

為了進行大型離子對撞機實驗，大型強子對撞機將讓鉛離子進行對撞，在實驗室條件下重建“大爆炸”之後的宇宙初期形態。獲得的數據將允許物理學家研究夸克-膠子電漿的性質和狀態，這種物質據信在“大爆炸”發生後只存在很短時間。

宇宙的所有普通物質都是由原子構成，每個原子擁有一個由質子和中子構成的核子，核子周圍環繞著電子。質子和中子都是被稱之為“膠子”的其它粒子束縛夸克形成的。這種不可思議的強大束縛意味著，獨立的夸克是永遠也不會被發現的。

大型強子對撞機內上演撞擊時產生的高溫是太陽內部溫度的10萬倍。物理學家希望看到的是，質子和中子會在這種高溫條件下“熔化”，並釋放被膠子束縛的夸克。這么做將創造夸克-膠子電漿，它們可能只存在於“大爆炸”之後，當時的宇宙仍處在極度高溫之下。科學家計畫在夸克-膠子電漿膨脹和冷卻過程中對其進行研究，觀察它如何形成最終構成當前宇宙物質的粒子。

ATLAS是大型強子對撞機兩個通用探測器之一

共有來自28個國家的94個研究機構的1000多名科學家參與ALICE實驗。

ALICE探測器相關資料

尺寸：長26米，高16米，寬16米

重量：1萬公噸

位置：法國小鎮聖吉利斯-珀利(StGenis-Pouilly）。

超環面儀器實驗

超環面儀器實驗ATLAS是大型強子對撞機兩個通用探測器中的一個。此項實驗涉及到物理學的很多領域，包括尋找希格斯玻色子、額外維度以及構成暗物質的粒子。與CMS的實驗目的一樣，ATLAS也將記錄與撞擊時產生的粒子有關的類似數據，即它們的路徑、能量以及特性等等。雖然實驗目的相同，但ATLAS和CMS探測器的磁鐵系統卻採用了完全不同的技術和設計。

ALICE探測器

ATLAS探測器巨大的圓環形磁鐵系統是它的主要特徵。這一系統由8個25米長的超導磁鐵線圈組成。磁鐵線圈分布在貫穿探測器中心的粒子束管周圍，形成一個“圓筒”。實驗過程中，磁場將被包含線上圈分離出的中央柱形空間內。

共有來自37個國家的159個研究機構的1700多名科學家參與ATLAS實驗。

ATLAS探測器相關資料

尺寸：長46米，高25米，寬25米，是迄今為止製造的個頭最大的粒子探測器。

重量：7000公噸

位置：瑞士梅林(Meyrin)

緊湊渺子線圈實驗

CMS實驗利用一個通用探測器，對物理學的很多領域進行研究，包括尋找希格斯玻色子、額外維度以及構成暗物質的粒子。雖然實驗目的與ATLAS相同，但這個探測器的磁鐵系統卻採用了完全不同的技術和設計。

CMS探測器是在一個巨型螺管式磁鐵基礎上建成的。它採用圓柱形超導電纜線圈，可產生4特斯拉的磁場，相當於地球磁場的10萬倍。這個巨大磁場受一個“鐵軛”限制——探測器1.25萬公噸的重量大部分來自“鐵軛”。與大型強子對撞機的其它巨型探測器有所不同的是，CMS探測器並不是在地下建造，而是選在地上，後分成15個部分被運至地下，最後完成組裝，這也算得上它的一大特色。

共有來自37個國家的155個研究機構的2000多名科學家參與CMS實驗。

CMS探測器相關資料

尺寸：長21米，寬15米，高15米

重量：1.25萬公噸

位置：法國塞希(Cessy）。

LHC底夸克探測器（LHCb）

LHCb實驗將有助於我們理解人類為何生活在一個幾乎完全由物質而非反物質構成的宇宙。它通過研究一種稱為“美夸克”（beauty quark）的粒子，專門對物質和反物質之間的微妙差異展開調查。LHCb實驗不是將整個撞擊點同密封探測器圍起來，而是使用一系列子探測器去主要探測前行粒子(forward particle）。第一個子探測器將安裝到撞擊點附近，而接下來的幾個將會一個挨一個安裝，它們的長度都超過20米。大型強子對撞機將創造出大量不同類型的夸克，然後它們將快速蛻變為其他類型。為捕捉到“美夸克”，LHCb項目小組已開發出先進的可移動跟蹤探測器，並安裝在圍繞於大型強子對撞機周圍的光束路徑附近。LHCb項目小組由來自13個國家48所研究機構的650位科學家組成。

LHC底夸克探測器相關資料尺寸：長21米，高10米，寬13米

LHC底夸克探測器

重量：5600噸

設計：具有平面探測器的前向接受譜儀

地點：法國費爾奈-伏爾泰

全截面彈性散射探測器

全截面彈性散射探測器實驗研究前行粒子，以重點分析普通實驗難以獲得的物理學原理。在一系列研究中，它將測量質子大小，還將準確監控大型強子對撞機的光度。想要做到這一點，全截面彈性散射探測器就必須要捕捉到距大型強子對撞機光束非常近的距離產生的粒子。它由一組安放在稱為“羅馬罐”（Romanpot）的特製真空室的探測器組成。

“羅馬罐”同大型強子對撞機的光束管道相連。8個“羅馬罐”將被一對一對地置於CMS實驗撞擊點附近的四個地點。儘管從科學意義上講這兩次實驗是獨立的，但TOTEM實驗將是CMS探測器和其他大型強子對撞機實驗所獲結果的有力補充。來自8個國家10所研究機構的50位科學家將參與TOTEM實驗。

全截面彈性散射探測器相關資料

尺寸：長440米，高5米，寬5米

重量：20噸

設計：“羅馬罐”，GEM探測器和陰極條感應室

地點：法國塞斯（位於CMS附近）

LHCf探測器

LHCf實驗將用於研究大型強子對撞機內部產生的前行粒子，作為在實驗室環境下模擬宇宙射線的來源。宇宙射線是自然產生於外太空的帶電粒子，不斷轟擊地球大氣層。它們在高層大氣與核子相撞，產生一連串到達地面的粒子。研究大型強子對撞機內部撞擊如何引起類似的粒子串有助於科學家解釋和校準大規模宇宙射線實驗，這種實驗會覆蓋數千公里的範圍。來自4個國家10所研究機構的22位科學家將參與LHCf實驗。

LHCf探測器相關資料

尺寸：兩個探測器，每個長30厘米，高80厘米，寬13厘米

重量：每個重40公斤

地點：瑞士梅林（位於ATLAS附近）

粒子對撞實驗

2015年3月26日，據國外媒體報導，在中斷了兩年之後，大型強子對撞機終於準備再次啟動，進行能量更強的粒子對撞實驗。該實驗本應於本周開始，然而由於上周六剛剛發現的一起短路故障，這一計畫不得不向後推遲。

技術改進

升級計畫

有提議在十年內LHC需要作一個硬體性能的提升。認為LHC需要作基本上硬體的修改以提升它的亮度（單位截面碰撞發生的頻率）。理想中LHC升級的途徑將是包含增加粒子束的流量，以及修改兩個需要高亮度的區域：ATLAS與CMS這兩個偵測器來配合。下一代超大型強子對撞器的入射能量需增加到1 TeV，因此前置入射裝置也需作一個升級的動作，特別是在於超級質子同步加速器的部分。

大型強子對撞機

分布計算

LHC@Home是一個分散式計算的計畫，用來支持LHC興建與校正之用。這個計畫是使用BOINC平台，來模擬粒子如何在加速器隧道中運行。有了這項資訊，科學家便可以決定如何放置磁鐵與調整功率，來達到加速軌道運行的穩定。安全考量在美國RHIC開始實驗之時，同時包含內部的研究者與其他外部的科學家，都有擔心類似的實驗可能會引發理論上的一些災難，甚至摧毀地球或是整個宇宙：創造出一個穩定的黑洞；創造出比一般物質更穩定的奇異物質（構成假說中的奇異星的物質）吸收掉所有一般物質；創造出磁單極促成質子衰變造成量子力學真空態的相變到另一個未知的相態。RHIC與CERN都有進行了一些研究調查，檢視是否有可能產生例如微黑洞，微小的奇異物質（奇異微子）或是磁單極等危險的事件。[8]這份報告認為“我們找不到任何可以證實的危害”例如，除非某個未經證實的理論是對的，否則是不可能產生出微小黑洞的。即使真的有微黑洞產生了，預期會透過霍金輻射的機制，很快就會蒸發消失，所以會是無害的。而認為即使像LHC這樣高能量的加速器的安全性，最有力的論點在於一個簡單的事實：宇宙射線的能量是比起LHC來要高出非常多數量級的，太陽系星體從形成這么多年下來，都不斷地被宇宙射線轟擊。既沒有產生出微黑洞，微小的奇異物質或是磁單極來，太陽、地球和月球也都沒有因此而被摧毀。然而，仍有一些人還是對LHC的安全性有疑慮：像是這一個有著許多新的，未經測試過的實驗，是沒有辦法完全保證說上述的情況不會發生。JohnNelson在伯明罕大學談到RHIC說“這是非常不可能會有危害的-但是我無法百分之百保證。”另外在學術界，對於霍金輻射是否是正確的，也是有一些疑問。RHIC自2000年運作後，都沒有有產生可以摧毀地球的物質的跡象。

經費支出

LHC的建造經費最初是1995年通過的一筆26億瑞朗，另有一筆兩億一千萬元瑞朗的經費作為實驗之用。然而，經費超支。在2001年的一次主要審核預期，將需增加四億八千萬元瑞朗在加速器的建造，與五千萬元瑞朗的支出在實驗運作上。同時，由於CERN年度預算的縮減，LHC的完工日期由2005年延後到2007年四月，以使用更多年度預算來支付。其中增加的一億八千萬元瑞朗，在於超導磁鐵的製造上。另外，尚有在興建放置CMS的地下洞穴時，遭遇到工程技術上的困難。預期的建造總額約為八十億元美金。

建設意義

大型強子對撞機將兩束質子分別加速到14TeV（14萬億電子伏特）的極高能量狀態，並使之對撞。其能量狀態可與宇宙大爆炸後不久的狀態相比。粒子物理學家將利用質子碰撞後的產物探索物理現象，例如，尋找標準模型預言的希格斯粒子、探索超對稱、額外維等超出標準模型的新物理。

或許有人會認為，像高能物理學領域高深的理論研究與我們的日常生活沒關係，花費數十億美元有些不值得。100多年前，愛因斯坦發現了質能方程，那就是質量與能量可以互相轉化。許多人也認為這個方程毫無用處。但是，以這種理論指導而研製出來的核子彈，讓人們見識了高能物理的可怕之處。隨後，核能用於發電，又讓人們認識到質能方程真正改善了我們的生活。

LHC可以使人類的科學技術邁進一大步。例如，反物質的形成與合成將變得可能。尋找到反物質及其合成方法，將有可能解決我們的能源危機問題，並且成為太空旅行和星際旅行的首選燃料。反物質擁有難以置信的力量，僅僅是少量的反物質，其與物質湮滅所產生的能量就可以與幾百萬噸當量的核彈相提並論。（物質與反物質的湮滅質能轉化率為100%，是核彈的幾十倍。）將來有一天，不但人類可以乘坐反物質推動的飛船遨遊太空，家裡的電器使用的電能也將來自反物質發電廠。

此外，在建造這個大型實驗裝置的過程中，科學家已經獲得了許多科研成果，已經改善了我們的生活。比如，我們今天常用的網際網路最初就是歐洲核子研究中心的科學家為了解決數據傳輸問題而發明的。另外，強子對撞機還將帶來一些意想不到的科研成果，譬如改進癌症治療、摧毀核廢料的方法以及幫助科學家研究氣候變化等。現有的放射療法可能會在殺死癌細胞的同時傷害周圍的健康組織，對撞機產生的高能粒子束能夠將這種傷害降到最低，因為它們能夠穿過健康組織，只對腫瘤發揮作用。一些氣象學家表示，如果發現高能粒子束促成了雲的形成，人們將來可以通過控制宇宙射線來改變氣候。

獲得榮譽

世界上最大的機器

大型強子對撞機的精確周長是2.6659萬米，內部總共有9300個磁體。大型強子對撞機不僅是世界上最大的粒子加速器，而且僅它的製冷分配系統（cryogenic distribution system）的八分之一，就稱得上是世界上最大的制冷機。製冷分配系統在充滿近60噸液態氦，將所有磁體都冷卻到零下271.3℃（1.9開氏度）前，它將先利用1.008萬噸液態氮將這些磁體的溫度降低到零下193.2℃。

世界最大粒子對撞機

世界上最快的跑道

功率達到最大時，數萬億個質子將在大型強子對撞機周圍的加速器環內以每秒1.1245萬次的頻率急速穿行，它們的速度是光速的99.9999991%。兩束質子束分別以70000億電子伏特的最大功率相向而行，在功率達到140000億電子伏特時發生碰撞。每秒總共能發生大約6億次撞擊。

太陽系中最空的空間

為了避免加速器中的粒子束與空氣分子相撞，這些粒子束在像行星間的空間一樣空蕩的超真空環境中穿行。大型強子對撞機的內壓是10^（-13）（10的負13次方）個大氣壓，比月球上的壓力小10倍。

大型強子對撞機隧道內的冷磁體

銀河系最熱點

大型強子對撞機是一個極熱和極冷並存的機器。當兩束質子束相撞時，它們將在一個極小的空間內產生比太陽中心熱10萬倍的高溫。與之相比，促使超流體氦在加速器環周圍循環的製冷分配系統，讓大型強子對撞機保持在零下271.3℃（1.9開氏度）的超低溫環境下，這個溫度比外太空的溫度還低。

史上最先進的探測器

為了抽樣檢查和記錄每秒多達6億次的質子相撞結果，物理學家和工程師已經製造了測量粒子的精確度是微米的龐大儀器。大型強子對撞機的探測器擁有先進的電子觸發系統，它測量粒子經過時所用時間的精確度，大約是十億分之一秒。這個觸發系統在確定粒子的位置時，精確度可達百萬分之一米。這種令人難以置信的快速和精確反應，是確保一個探測器連續層內記錄的粒子保持一致的基礎。

進行安裝時電腦中心的場景

世界最強大計算機系統

記錄大型強子對撞機進行的每項大試驗的數據，每年大約足夠刻10億張雙面DVD光碟。據估計，大型強子對撞機的壽命是15年。為了讓世界各地的數千名科學家在未來15年內通力合作，分析這些數據，分布在世界各地的好幾萬台電腦將利用一種被稱作格線的分散式計算網（distributed computing network）實施研究工作。

世界各地的數千名科學家都希望了解並分析這些數據。為了解決這個問題，目前歐洲粒子物理研究所（CERN）正在建一個分散的計算和數據儲存設施——大型強子對撞機計算格線（LCG）。大型強子對撞機實驗產生的數據，將通過歐洲粒子物理研究所記錄在磁帶進行原始檔案備份後，再分發到世界各地。經過初始加工，這種數據將被傳送到可為大量數據提供充足儲存空間的一系列大型計算機中心，這些計算機中心一天二十四小時不停地為大型強子對撞機計算格線提供服務。

中國台灣也參與其中，負責其中兩項重要系統的研發，並處理龐大實驗數據。亞洲唯一的電腦中心就設在台灣的中研院。這次台灣約有40名科學家參與這項國際實驗，負責世界上最大與最重的偵測器研發，而且處理龐大實驗數據所倚賴的「格線電腦」就設在台灣的中研院。

經過這些計算機中心的處理，其他設備就可使用這些數據了，其他的設備每個都有一個或幾個實施特殊分析任務的聯合計算機中心組成。當個科學家可通過大學部門的區域網路或個人電腦了解這些設備，這些人可能會經常查看大型強子對撞機計算格線。

模擬現象探索

大型強子對撞機

大型強子對撞機（LHC）產生的能量是其他粒子加速器以前都無法達到的，但是自然界中的宇宙光相撞產生了更高的能量。多年來，這種高能粒子相撞產生的能量的安全性問題，一直備受關注。據新實驗數據和對相關理論的新認識顯示，大型強子對撞機安全評估團（LSAG）已經重新校正了該團在2003年做出的一份調查分析。這個安全評估團由中立派科學家組成。

2003年，有關報告稱大型強子對撞機碰撞不存在風險，因此沒理由對安全問題過多關注。現在大型強子對撞機安全評估團對這些結論進行了重新審定和補充。不管大型強子對撞機將要做什麼，自然界在地球和其他天體的一生中，已經這樣做了很多次。歐洲粒子物理研究所科學政策委員會（CERN's Scientific Policy Committee）已經重新審查了大型強子對撞機安全評估團的報告，並對該團的觀點表示贊成。歐洲粒子物理研究所科學政策委員會是由為歐洲粒子物理研究所的主管團體——董事會提建議的院外科學家組成。歐洲粒子物理研究所總結出的主要論據，可支持大型強子對撞機安全評估團的論文觀點。任何對更多細節感興趣的人，都被鼓勵直接商討這個問題和它涉及的技術科學論文。

宇宙射線

跟其他粒子加速器一樣，大型強子對撞機在受控實驗室環境中重新再現了宇宙射線的自然現象，這使科學家能對宇宙射線進行更加詳細的研究。宇宙射線是外層空間產生的粒子，其中一些粒子通過加速，產生的能量遠遠超過了大型強子對撞機產生的能量。在大約70年的實驗中，宇宙射線傳播到地球大氣層的能量及速度都已經被監測到。在過去的數十億年間，地球上的自然界內發生的粒子撞擊次數，已經相當於大約100萬次大型強子對撞機實驗，可是至今地球仍然存在。天文學家在宇宙中觀測到大量體積更大的天體，它們都受到宇宙射線轟擊。宇宙的運行情況，就如同像大型強子對撞機一樣的實驗每秒運行超過數百億次。任何危險結果的可能性與天文學家看到的現實相矛盾，因為至今恆星和星系仍然存在。

尋找希格斯玻色子

微型黑洞

當比我們的太陽更大的特定恆星在生命最後階段發生爆炸時，自然界就會形成黑洞。它們將大量物質濃縮在非常小的空間內。假設在大型強子對撞機內的質子相撞產生粒子的過程中，形成了微小黑洞，每個質子擁有的能量可跟一隻飛行中的蚊子相當。天文學上的黑洞比大型強子對撞機能產生的任何東西的質量更重。據愛因斯坦的相對論描述的重力性質，大型強子對撞機內不可能產生微小黑洞。然而一些純理論預言大型強子對撞機能產生這種粒子產品。所有這些理論都預測大型強子對撞機產生的此類粒子會立刻分解。因此它產生的黑洞將沒時間濃縮物質，產生肉眼可見的結果。

雖然穩定的微小黑洞理論站不住腳，但是研究宇宙射線產生的微小黑洞結果顯示，它們沒有危害。大型強子對撞機內發生的撞擊，與地球等天體和宇宙射線發生碰撞不同，在大型強子對撞機內的碰撞過程中產生的新粒子，一般比宇宙射線產生的粒子的運行速度更加緩慢。穩定的黑洞不是帶電，就是呈中性。不管是宇宙射線產生的粒子，還是大型強子對撞機產生的粒子，如果它們帶電，它們就能與普通物質結合，這個過程在粒子穿越地球時會停止。地球依然存在的事實，排除了宇宙射線或大型強子對撞機可產生帶電且危險的微小黑洞的可能性。如果穩定的微小黑洞不帶電，它們與地球之間的互動將非常微弱。宇宙射線產生的那些黑洞可以在不對地球造成任何危害的情況下穿過它，進入太空，因此由大型強子對撞機產生的那些黑洞也可繼續停留在地球上。然而，宇宙中有比地球更大更密集的天體。宇宙射線與中子星或白矮星等天體相撞產生的黑洞可處於休眠狀態。地球等這種緻密體繼續存在的事實，排除了大型強子對撞機產生任何危險黑洞的可能性。

奇異微子與‘天使粒子’

奇異微子是針對一種假設的微小“奇異物質”產生的術語，奇異物質包含幾乎與奇異夸克數量一樣的粒子，‘天使粒子’則是探索‘馬約拉納費米子’一種正負粒子同體的‘獨立’粒子晶格。根據理論成分最高的研究顯示，奇異微子在一百萬分之一千秒內，能轉變成普通物質。但是奇異微子能否與普通物質結合，變成奇異物質？2000年相對論重離子對撞機(RHIC）在美國第一次出現時，人們提出了這個問題。當時的一項研究顯示，人們沒有理由關注這個問題，現在相對論重離子對撞機已經運行8年，它一直在尋找奇異微子，但是至今仍一無所獲，奇異微子也許是一種重質量的‘惰性中微子’的存在。有時大型強子對撞機就像相對論重離子對撞機一樣，需要通過重核子束運轉。大型強子對撞機的光束擁有的能量將比相對論重離子對撞機的光束擁有的能量更多，但是這種情況使奇異微子形成的可能性更小。就像冰不能在熱水中形成一樣，像這種對撞機產生的高溫，很難讓奇異物質結合在一起。另外，夸克在大型強子對撞機中比在相對論重離子對撞機中更加微弱，這使它很難聚集奇異物質。因此在大型強子對撞機內產生奇異微子的可能性，比在相對論重離子對撞機內更小。這個結果已經證實奇異微子不會產生的論點。

馬約拉納費米子的存在‘天使粒子’

奇異微子--惰性中微子的存在

真空泡沫

曾有推測認為，現在宇宙沒處在它最穩定的狀態，大型強子對撞機產生的微擾將能讓它進入更加穩定的狀態，這種狀態被稱作真空泡沫，在這種狀態下人類將不復存在。如果大型強子對撞機確實能做到這些，難道宇宙射線碰撞就無法達到這種效果嗎？由於目前在肉眼可見的宇宙中的任何地方都沒產生這種真空泡沫，因此大型強子對撞機將不能產生這種物質。

磁單極子

磁單極子是假設中帶單極性磁荷的粒子，每個只擁有北極或南極。一些純理論指出，如果它們確實存在，磁單極子將導致質子消失。這些理論還表示，這種磁單極子因為太重，根本無法在大型強子對撞機內產生。然而，如果磁單極子的重量足以在大型強子對撞機內出現，宇宙射線撞擊地球大氣層早就該產生這種物質了，如果它們確實存在，地球能非常有效地阻止並捕獲它們，現在人們應該已經發現它們。地球和其他天體繼續存在的事實，排除了能吞噬質子的危險磁單極子的重量足夠輕，可以在大型強子對撞機內產生的可能性。

模擬爆炸

2010年11月8日，科學家們開始利用位於瑞士和法國邊境的歐洲大型強子對撞機製造小型 “宇宙大爆炸”，模擬近140億年前宇宙形成的瞬間過程。

這是該機器第一次使用鉛離子進行對撞，以往實驗均使用質子。鉛離子和質子統稱“強子”，但前者比後者更大、更重。8日開始的實驗取名為“愛麗絲”（ALICE），是“大強子對撞實驗”的英文縮寫。實驗第一階段任務將於今年12月完成。

在全長約27公里的環形軌道內部，兩束鉛離子束流朝著相反的方向前進，它們每運行一圈，就會獲得更多的能量，速度也隨之增加。對撞瞬間產生的高溫相當於太陽核心溫度的10萬倍，即10萬億度。據信這個溫度就是137億年前宇宙大爆炸剛剛發生後百萬分之幾秒內的溫度。在這一溫度下將產生“夸克—膠子電漿”。現有物理學理論認為，宇宙誕生後的百萬分之幾秒內，宇宙中曾存在過一種被稱為“夸克—膠子電漿”的物質。科學家們希望通過迷你“宇宙大爆炸”實驗，解開宇宙形成之謎。

中國研發

2014年7月，中國北京高能物理研究所正在籌備一個兩倍於LHC的環形粒子對撞機。

中國將要修建的對撞機周長達到了52公里，對撞能量高達70 TeV。按計畫，中國的對撞機將在初期階段只針對電子，且對撞能量僅有能量240 GeV，而後期則逐漸開足馬力進行質子對撞。

預計中國的對撞機將在2028年投入使用，耗資30億美元，目前尚不清楚這是否是一個與國外同行攜手進行的聯合項目。