這幾年，關於咱們國家應不應該建設大型粒子加速器，有很多的爭論，在發表我的觀點之前，想先分享一下現在世界上最先進的位於歐洲的大型強子對撞機LHC的相關知識。因為一直覺得 ，不論要討論什麼，那麼第一步應該是搞明白它到底是什麼。
在法國和瑞士交界的地下100米處，坐落著目前世界上最大的粒子加速器——大型強子對撞機LHC(the Large Hadron Collider )，它由一圈27公里長的超導磁體組成，帶有若干加速結構，一旦啟動，將以接近光速的速度發射質子和離子束，這些粒子束相互碰撞，科學家們記錄並分析碰撞產生的結果，讓物理學家可以測試不同粒子物理學理論，包括測量希格斯玻色子的性質，尋找超對稱理論、預測的新粒子大家族等等。
LHC隧道
LHC工作原理
簡單來說，LHC以相反的方向發射兩束粒子，一順時針，一逆時針，讓它們圍繞27公里的對撞機運動，當加速到接近光速，將兩粒子束相互瞄準，觀測碰撞發生的過程和結果。
但實現起來可沒有這麼簡單。
LHC加速和碰撞的粒子是質子或鉛核，它們都帶正電荷，所以LHC利用磁場來控制來引導和聚焦粒子束。因此，LHC擁有9300個不同類型的超導磁體，許多重達幾噸。為了超導，這些磁體被浸泡在1.8開爾文(-271.25攝氏度，稍微高於絕對零度)的超冷液氦中，比外太空還要冷。
LHC地處歐洲多國城市
為了避免引入的質子在達到合適的碰撞點之前碰到其它粒子，LHC建造了“超高真空”管道，要知道，即使一個小小的氣體分子也可能導致實驗失敗。
任何一臺計算機都不可能收集和處理每臺探測器在任何時間點生成的所有原始數據——每秒1拍字節(約1050,000 gb)。因此，大量的數據被實驗中所謂的觸發系統立即過濾掉。觸發器系統運行復雜的算法，將選擇的數據寫入計算機存儲。保存下來的信息被其他算法處理得更慢，這些算法被設計用來確定粒子的全部細節，從而發現通常非常罕見的、特別有趣的衰變。根據歐洲核子研究中心（CERN）的數據，在實驗期間收集的數據量大約是每秒700兆字節(MB/s)，LHC探測器每年將收集大約15拍字節的數據(即1500萬億兆字節)，這麼多數據足以填滿10萬張DVD。
那LHC具體是怎麼運行的呢？
LHC運行
首先，科學家必須從氫原子中剝離電子以產生質子，每束直徑約為2毫米。然後，質子進入LINAC2，這種機器使用射頻腔裝置來加速質子，之後將其射入名為PS助推器的加速器。
一旦一束質子達到合適的能量水平，PS助推器就會把它注入另一個叫做超級質子同步加速器(SPS)的加速器中，繼續加速。現在，這些質子束已經分成了更小的束——每個含有有2808個質子束。SPS將它們注入對撞機中，像我們之前講的，一束順時針運動，另一束逆時針運動。
在對撞機內部，粒子束繼續加速，大約20分鐘後，它們達到最高速度，然後控制它們在LHC六個探測器之中發生碰撞。
粒子束對撞
當兩個質子碰撞時，它們會分裂成更小的粒子，比如夸克。這些微小的亞粒子非常不穩定，在衰變或與其他亞粒子重新結合之前，它們只存在毫秒甚至皮秒的時間。根據大爆炸理論，早期宇宙中的所有物質都是由這些微小的亞粒子組成的。之後，宇宙慢慢冷卻並膨脹，這些亞粒子結合，形成了如質子和中子等較大粒子，在其上，又有了原子分子等。
探測器通過追蹤亞原子粒子來收集信息。然後探測器將數據發送到計算機系統的網格中。
不過，不是每個質子都會和另一個質子碰撞。即使像LHC這樣先進的機器，也不可能引導像質子那麼小的粒子束，使每個粒子都能與另一個粒子碰撞。未能碰撞的質子將繼續在強磁場中進入束傾倒區。在那裡，石墨材料會吸收額外的輻射。
LHC探測器
探測器是LHC非常重要的組成部分，它們收集粒子的相關信息，包括它們的速度、質量和電荷，物理學家據此可以確定粒子的類型。這個過程需要加速器、強大的電磁鐵和一層又一層複雜的亞探測器。
探測器構造
探測器由多層組成，每層次探測器都是為了尋找特定的性質或粒子的特定類型而設計的。
跟蹤裝置：揭示粒子的運動軌跡。介子是粒子的一種，它很少與物質發生相互作用，介子腔——專門用於探測介子的跟蹤裝置——通常構成探測器的最外層。大多數設備不會讓粒子軌跡直接可見，而是記錄粒子穿過設備時觸發的微小電信號。然後，一個計算機程序重新構建所記錄的軌跡模式。
量熱計：測量粒子通過時所損失的能量。它通常被設計成完全停止或“吸收”大部分來自碰撞的粒子，迫使它們在探測器中儲存所有的能量。量熱計可以阻止除μ輕子和中微子以外的大多數已知粒子。電磁量熱計可以測量電子和光子與物質中帶電粒子相互作用時的能量。強子量熱計可以對強子(含有夸克的粒子，如質子和中子)與原子核相互作用時的能量進行採樣。
粒子鑑別探測器：一旦一個粒子通過了跟蹤裝置和量熱計，通過檢測粒子的電量軌跡和能量，可以確定粒子的類型。
探測器LHCb
LHC有4個探測器，有環面通用探測器ATLAS和CMS，重離子實驗探測器ALICE，半面前場探測器LHCb。ATLAS和CMS主要用於探測各種普遍信號，兩個獨立實驗組互相驗證保證實驗成果可信度。ALICE僅在對撞鉛核的實驗中開啟，研究重離子相互作用。LHCb主要用來研究對撞過程中的不對稱性，對尋找反物質，研究宇稱不守恆和各種味物理的奇異性質。
探測器ALICE
今天先說到這裡，明天將會探討LHC實驗有什麼意義，現在有了什麼成果。
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