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大型强子对撞机

大型强子对撞机

大型强子对撞机（英文名：Large Hadron Collider），简称LHC，是由欧洲核子研究组织（CERN）建造的一种粒子加速设备，截至2024年，大型强子对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加速器，目的是利用超高能量的强子（质子-质子和重离子-重离子）进行对撞，开展物质结构深层次的研究。

大型强子对撞机坐落于日内瓦附近欧洲核子研究中心（CERN）瑞士和法国的交界侏罗山地下，总长约27km（含环形隧道）的隧道内。大型强子对撞机（LHC）由探测器、环、束流清洁器、超导磁铁、束流传输线等构成，装置中有9593根超导四氧化三铁（其中最长的一种磁铁有15米长，共1232根），两束以接近光速相反运行的质子束流在这些磁铁的引导下，在超环面谱仪（ATLAS）、大型强子对撞机底夸克探测器（LHCb）、紧凑缪子螺线管磁谱仪（CMS）和大型离子对撞机实验器（ALICE）四个大型探测器中实现对撞。大型强子对撞机的每一项探测成果，都将交给超级计算机网络处理，所有新发现的粒子都要经过这种严格的检验与分析。

大型强子对撞机原计划于2008年正式运行，在2008年9月10日进行了第一次测试运行，但因设备故障延迟。它于2009年11月20日重启，2009年11月23日，大型强子对撞机进行了在修复完成后的第一次试撞。第一次碰撞是在2010年实现的，每束能量为3.5太电子伏特，质心能量为7太电子伏特。经过40多年的探索，2012年，希格斯玻色子被日内瓦的欧洲核子中心（CERN）的一个大型加速器——大型强子对撞机（LHC）证实存在。2013年关闭后，大型强子对撞机进行了为期2年的维护和升级。到2015年重启时，这台粒子加速器运行能量已两倍于关闭前的能量。2019年，欧洲核子研究组织（CERN）关闭了大型强子对撞机，并进行维护和升级。2022年4月，大型强子对撞机（LHC）历经3年的维护和升级后再度重启。

大型强子对撞机的目标是让物理学家测试不同粒子物理理论的预测，包括测量希格斯玻色子的性质，寻找超对称理论预测的新粒子大家族，以及研究粒子物理中其他未解决的问题。

名称由来

大型强子对撞机（LHC）全称为Large Hadron Collider，世界上最强大的粒子加速器。“Large”是指它的大小，其全长长约27公里；“Hadron”是指它加速质子或离子，它们属于称为强子的粒子组；“Collider”，指对撞机。

其中强子是一种由夸克和胶子构成的粒子，胶子是一种传递强相互作用的基本粒子，正是由于核子间存在强相互作用力，质子、中子才能结合为原子核。强子可以被分为介子和重子，分别是由奇数个夸克（通常是三个夸克）组成的重子和由偶数个夸克（通常是两个夸克：一个夸克和一个反夸克）组成的介子推。

对撞机是一种两束或以上人工产生粒子在同一空间以相反方向相互碰撞产生次级束供探测，从而进行高能物理或核物理研究的大型装置，可根据粒子束种类分类。如强子加速器加速的粒子束为强子。

大型强子对撞机（LHC）由欧洲核子研究组织（CERN）在容纳大型电子-正电子对撞机（LEP）的27公里隧道中建造。目的是利用超高能量的强子（质子-质子和重离子-重离子）进行对撞，开展物质结构深层次的研究。

历史

建设

20世纪80年代，在大型轻子对撞机（LEP）设计和建造时，CERN就开始考虑强子对撞机的计划，并开展了物理需求和加速器技术的研究。1994年12月16日，CERN各成员国投票批准了在LEP隧道里建造LHC的计划。

1995年10月LHC概念设计完成，从1996~1998年，LHC上的四个实验，即ALICE、ATLAS、CMS和LHCb和其他实验的计划先后得以批准，并着手建设。

经过10多年的建设，LHC终于于2008年9月10日开始注入质子束束流。同年9月19日在对LHC的两个区段的超导偏转磁铁进行励磁时，由于偏转磁铁和聚焦磁铁之间的超导连结线故障，造成磁铁损坏、大量液氦从低温系统流入隧道，运行被迫停止。经过一年多的维修和改进，2009年11月20日束流再次注入LHC。

经费支出

2016年，杨振宁在和王贻芳关于大型对撞机的公开讨论中认为欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机LHC耗资100亿美元，对撞机的建造成本是无底洞。

运行

运行测试（2008年）

2008年9月10日，欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）正式运行，世界上能量最大的、长达27千米的粒子加速器成功地发射出第一束质子射线。 LHC项目负责人埃万斯（Lyn Evans）说，“这是一个奇妙的时刻，现在，我们正期待着一个认识宇宙的起源和演变的新纪元。”

同月，大型强子对撞机在刚启动9天后的一次运行中，即发生过一次严重的液氦泄漏事故。连接所有9千多根超导磁铁需要五万多个接点，由于其中一个接点接触不良，以至于在超导高电流的情况下发生熔毁，这造成了防冻液管道破损，因此大量液态氦泄露，形成了重大事故。经过14个月的修复和加固后，对撞机于2009年11月重新启动并安全运行。

第一次运行（2010年-2013年）

2010年3月30日在LHC中首次实现能量为3.5太电子伏的两边束质子对撞，质心能量为7太电子伏。2012年5月4日，LHC中质子对撞的质心能量达到8太电子伏。两个月后，2012年7月4日，LHC上工作的ATLAS和CMS实验组公布了寻找希格斯粒子的结果，所观测到的粉子的质量为125~126吉电子伏。经过近两年的停机检修和改进，2015年6月3日LHC开始在质心系13吉电子伏的能量下工作。随着对撞机性能的改进，对撞亮度逐步提高，超过了其设计指标1×1034/（厘米2·秒）。

2012年，在全球上万名科学家和工程师多年的努力下，希格斯玻色子被科学家利用日内瓦的欧洲核子中心（CERN）的一个大型加速器——大型强子对撞机（LHC）发现。物理学家与世界上最大的原子粉碎机——欧洲的大型强子对撞机（LHC）——合作，当他们报告说他们发现了一个粒子时，引起了轰动，这个粒子似乎是人们寻找已久的希格斯玻色子，这是他们标准粒子和力模型中最后一个缺失的部分。这些研究人员报告说，该粒子确实具有标准模型希格斯玻色子的基本预测特性，从而确定了这一特性。

2013年关闭后，大型强子对撞机进行了为期2年的维护和升级。到2015年重启时，这台粒子加速器运行能量已两倍于关闭前的能量。

第二次运行（2015年到2019年）

2015年4月5日，在经历两年停机维护、加固升级及数月重启准备后，欧洲大型强子对撞机当天正式开启第二阶段运行。

2019年，欧洲核子研究组织（CERN）关闭了大型强子对撞机，进行维修升级，提高仪器的灵敏度，使其更好地完成任务。

第三次运行（2022年）

2022年4月22日，大型强子对撞机（LHC）历经3年的维护和升级后再度重启，两束注入能量450GeV的质子束在27公里长隧道内发射。

同年，大型强子对撞机（LHC）上的底夸克探测器（LHCb）合作组发现了新的奇特粒子结构，包括一种首次发现的五夸克态粒子和有史以来观察到的第一对四夸克态粒子。理论学家在数十年前已同时预测到传统的强子和奇特强子态的存在，然而直到最近20年，科学家才通过大型强子对撞机的底夸克探测器及其他实验观察到四夸克态或五夸克态奇特强子。

装置结构

大型强子对撞机（LHC）建造在日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）。LHC的周长约27千米，约四分之三在法国境内，四分之一在瑞士境内，加速器的造价约50亿瑞士法郎。LHC可以把两束质子加速到7太电子伏并进行对撞，质心系能量达14太电子伏。在LHC的对撞区安装了超环面仪器（ATLAS）、紧凑u子电感线圈（CMS）、底夸克探测器（LHCb）和大型离子对撞探测器（ALICE），四个各有特点又相互补充的大型探测器以及两个小型的探测器TOTEM和LHCf。有来自世界100多个国家、数百个研究机构的上万名科学家在LHC上开展合作研究。

地下部分

探测器部分

LHC包括4个大型探测器对这些碰撞进行观测，它们分别被称为ALICE、ATLAS、CMS和LHCb。紧凑缪子螺线管磁谱仪（CMS）是一个长28.7米，直径15米，水平放置的圆柱形粒子探测器，总重量12500吨。这是欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的四个大型探测器之一。这四个大型探测器包含在一个周长27公里的环形隧道中，贯穿瑞士与法国边境。其他三个大型探测器分别是超环面谱仪（ATLAS）、大型强子对撞机底夸克探测器（LHCb）和大型离子对撞机实验器（ALICE）。

世界上最孤独的鲸鱼

ALICE实验位于LHC法国艾因境内地下60米处。ALICE实验的主要目标是描述夸克胶子等离子体（QGP）的物理性质，这是一种在核碰撞中的极端温度和能量密度条件下产生的物质状态。

ATLAS

ATLAS（环形LHC装置）是LHC上最大的通用粒子探测器实验，位于瑞士的欧洲核子研究中心（CERN）。该实验旨在利用LHC上前所未有的能量，观察涉及早期低能加速器无法观测到的高质量粒子的现象。ATLAS是2012年7月发现希格斯玻色子的两个大型强子对撞机实验之一。它还被设计用来寻找超越标准模型的粒子物理理论证据。

CMS

“紧凑缪子螺线管磁谱仪”（CMS）是在位于LHC在瑞士和法国建造的两个大型通用粒子物理探测器之一。CMS实验的目标是研究物理学，包括寻找希格斯玻色子、额外维度和可能构成暗物质的粒子。

首先在地面上分块建造了约10年，CMS由11大块组成，这其中的每块质量都有上千吨，每块都包含成千上万个部件。从江南造船租来的专用汽车起重机将这些大块通过直径15米多的庞大垂直工作井，送抵深达100米的探测器地下大厅，然后再进行拼装。LHC建在地下深处可以让高能粒子束流运行和对撞产生的对人体有害的辐射被100米厚的土层吸收，这比在地面上在机器外围建造27公里长的很厚的“水泥桶”把机器保护起来更安全高效。其次，根据法、瑞有关法律，地表的财产（如土地、树林、河流和房屋等）有可能是私有的，但地下深处的土地则属于公有。在地下100米开建，从成本上考虑远比在地面买地建造要划算。

LHCb

LHCb实验坐落在法国伏尔泰镇附近地下100米处。LHCb实验旨在探索大爆炸后发生了什么，能够允许物质生存，并建立我们今天居住的宇宙。

其他部分

环及环上的真空泵

大型强子对撞机的核心是环，贯穿LEP隧道的圆周；这个环的直径只有几厘米，被抽真空到比深空更高的程度，并被冷却到绝对零度两度以内。在这个环中，两束反向旋转的重离子或质子被加速到光速的百万分之一以内的速度。（质子属于一类被称为强子的重亚原子粒子，它解释了这种粒子加速器的名称。在环上的四个点上，光束可以相交，一小部分粒子相互碰撞。在最大功率下，质子之间的碰撞将以高达13TeV的总能量发生，大约是以前实现的七倍。在每个碰撞点都有重达数万吨的巨大磁铁和一组探测器，用于收集碰撞产生的颗粒。

LHC有两个相同的环，其中准圆形轨道由8个弧段和连接它们的直线段组成。在每个弧区安放了154台偏转磁铁和周期性排列的聚焦磁铁及校正磁铁，把束流限制在轨道中心附近。在LHC中共有约9600块各种类型的磁铁，其中有1232块每块长15米的超导偏转磁铁和392块长度为5~7米的超导聚焦磁铁。它们工作在王1.9开的低温下，在7太电子伏时的主导磁场为8.33特。在LHC中两束质子或重离子在27千米的环形真空室里以接近光速的速度相目向运动，并在四个对撞点交叉对撞。

分布在LHC的储存环上数以千计的真空泵，可把总容积约6500立方米的真空室内抽到10-1大气压的超高真空。在真空盒上安装了各种各样的探头，可以自动、准确、快速地测量束流的位置、强度和截面等参量，提供工作人员分析和控制。每个环上各安装了8台工作频率为400兆赫的超导高频加速腔，放置在两个4.5开的低温恒温器里，可以提供2兆伏的加速电压。束团在LHC里以接近光速运动，每秒钟旋转11245圈，每转一圈就在高频腔里得到一次加速，并补充由于同步辐射引起的能量损失。

束流清洁器

大型强子对撞机（LHC）中有9593根超导四氧化三铁（其中最长的一种磁铁有15米长，共1232根）构成，两束以接近光速相反运行的质子束流在这些磁铁的引导下，在上述四个大型探测器中实现对撞。仪器随时监控记录对撞数据，供科学家们分析使用。

这近9600根磁铁要在-271.2摄氏度的低温环境下，才能正常工作。为了达到这个接近宇宙低温极限（-273.15摄氏度，即所谓绝对零度）的温度，科学家们要使用大量的液态氮和液态氦。每次降温的过程，需要约130吨的液态氦，这个用量差不多是全世界液氦年产量的1%。

在加速过程中，所有磁铁的磁场也按能量的增加同步提高，使束流始终保持在真空盒的中心附近。为避免在東流运行过程中由于对撞和其他原因引起的粒子丢失而造成超导磁铁的失超，在LHC上安放了各两组束流清洁器，把束流边缘的粒子挡掉。如果整个束流发生不稳定，安放在环上的快冲击磁铁就会立即起动，把束流偏转到束流垃圾桶里。LHC的设备都通过计算机和接口设备进行控制，运行人员可以在中央控制室对加速器上的各种设备进行操作。

地面部分

地面部分有计算分析网络、加速器控制装置以及其他的设备如通风设备等，加速器的所有控制装置、其服务和技术基础设施都位于欧洲核子研究中心控制中心的某个设施内。2008年10月，欧洲核子中心宣布作为迄今最大规模的分布式运算网络，全球LHC计算网格正式启动，它将为设在欧洲的大型强子对撞机提供强大的数据运算支持。欧洲核子研究中心称，这个运算网共包括分布在全球33个国家和地区的140多个计算中心，参与运算的科研人员将多达7000名，每年可分析和管理大型强子对撞机数据超过1500万Ｇ。

未来会有专门的光纤网络把大型强子对撞机的数据从日内瓦首先传输到位于欧洲、北美和亚洲的11个大型的“第一梯队”运算中心。然后数据再从这11个“节点”进一步分派到全世界各地超过140个“第二梯队”运算中心。美国在这个运算网的建设和运行中发挥关键作用，全美共有15所大学和3个能源部下属的国家实验室参与其中。借助分布式运算网络，科学家们可以最大限度地利用分布在各处的计算资源，把服务器、存储系统和网络联合在一起，形成超强的运算能力。

科学目标与作用

LHC是一台高能量前沿的加速器，旨在利用超高能量的强子（质子-质子和重离子-重离子）对撞，开展物质结构深层次的研究，发现新现象，研究新物理，其主要的科学目标有：探索质量的起源，寻找希格斯粒子；探寻超对称粒子；探索暗物质；研究反物质，解释宇宙中的物质和暗物质不均衡之谜；重现并研究宇宙产生早期的现象。

LHC致力于研究质量的本质。希伯斯玻色子是现代粒子物理学标准模型理论中最后一种尚未被发现的粒子，它的存在是整个标准模型的基石。早在1964年，苏格兰物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)便首次预言存在这种粒子，但迄今为止，科学家仍未见过它的庐山真面目。

LHC致力于寻找暗物质和暗能量。我们在宇宙中看到的一切是由普通粒子构成的。这些粒子被统称为物质，它们构成了4%的宇宙。余下的部分据信由暗物质和暗能量构成，对它们进行探测和研究的难度非常大。

LHC致力于研究物质和反物质的差异。反物质是携带相反电荷的物质。在宇宙诞生时，“大爆炸”产生了相同数量的物质和反物质。通过演变，少量物质留存下来形成宇宙，而反物质却几乎消失得无影无踪。

LHC致力于寻找物质在宇宙诞生后的最初状态。宇宙中的普通物质由原子构成，原子拥有一个由质子和中子构成的核子，质子和中子都是被称之为“胶子”的其它粒子束缚夸克形成的。在“大爆炸”发生后的最初几微秒，宇宙拥有一个由夸克和胶子构成的“夸克-胶子等离子体”。利用大型强子对撞机模拟大爆炸发生后的原始宇宙形态，分析夸克-胶子等离子体的性质。

LHC致力于寻找空间的额外维度。根据阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论，人类生存的三维空间加上时间轴即构成所谓四维空间。后来的理论认为，可能存在拥有隐藏维度的空间。弦理论认为额外的空间维度只能在高能条件下显现出来。科学家将对所有探测器获得的数据进行仔细分析，以寻找额外维度存在迹象。

研究成果

早期研究成果

自2009年LHC开始实验运行以来，取得了一系列重要的物理成果。其中最主要的是在2012年发现希格斯粒子。比利时物理学家F.恩格勒特和英国物理学家P.希格斯因提出粒子质量来源的机制，其预言的基本粒子希格斯玻色子在LHC实验中发现见，而荣获2013年诺贝尔物理学奖。同年12月15日，研究人员报告了LHC的第一个物理结果，涉及ALICE探测器中发生的284次碰撞。

2010年2月，CMS实验公布了第一次质子碰撞的结果。

2010年后的研究与发展

2011年5月24日，LHC中产生了夸克胶子等离子体。同年7月至8月，在Grenoble和孟买的会议上，ATLAS和CMS以95%的置信度（使用奔驰CLS级方法）排除了在145和466 GeV之间的大部分质量区域存在一个具有标准模型所预测特性的希格斯玻色子。

2011年12月13日，CERN报告称，标准模型希格斯玻色子（如果存在）很可能质量限制在115–130 GeV范围内。CMS和ATLAS探测器也显示了124–125GeV范围内的强度峰值，与背景噪声或希格斯玻色子的观测一致。

2012年7月4日，CMS和ATLAS团队宣布在质量区域发现一个玻色子，大约125–126个GeV，满足了宣布新粒子所需的正式级别。同年11月8日，LHCb小组报告了一项被视为物理学超对称理论“黄金”测试的实验。

2013年3月14日，CERN宣布确认所观测到的粒子确实是预测的希格斯玻色子。同年8月，LHCb团队在B介子衰变产物的角度分布中发现了一个标准模型无法预测的异常现象。

2014年11月19日，LHCb实验宣布发现了两个新的重亚原子粒子。同年4月4日，合作方确认了四夸克候选Z（4430）的存在。

2015年后的研究及发展

在2015年7月召开的EPS-HEP会议上，这两项合作首次提出了几个粒子在较高碰撞能量下的横截面测量结果。同年12月15日，ATLAS和CMS实验均报告了使用13 TeV质子碰撞数据进行的希格斯物理、超对称性（SUSY）搜索和外星搜索的一些初步结果。

2016年6月28日，这项合作宣布四夸克粒子衰变为J/ψ 和一个φ 介子。同年12月，ATLAS对W玻色子质量进行了测量，研究了在Tevatron进行精度分析。

2017年7月，根据2016年收集的大型数据集进行了许多分析。希格斯玻色子的性质得到了更详细的研究，许多其他结果的精度也得到了提高。截至2021年3月，大型强子对撞机实验在前两次运行期间收集的数据中发现了59个新强子。

2022年10月，大型强子对撞机（LHC）紧凑渺子线圈（CMS）国际合作组在最新一期《自然·物理学》杂志上撰文指出，他们对希格斯玻色子的质量分布——“宽度”作了迄今最精确测量：3.2兆电子伏特。

2023年，科学家们在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）上发现了一种新粒子，其被称为“奇异的五夸克”。相关论文刊发于2023年7月出版的《物理评论快报》杂志。

建设意义

目前，人类对宇宙的认识是远远不够的，现有的理论根本无法匹配我们所观测到的宇宙。因此，物理学家一直在努力，希望能够找到新粒子。发现新粒子主要有两种途径，一种方式是提高大型强子对撞机中质子的对撞能量。能量的提高就可能产生更重的粒子。第二种方式就是增加对撞次数，就可能获取更多的探测数据。通过对海量数据的分析，从中寻找任何罕见新粒子的微弱信号。

大型强子对撞机同时在尝试这两种方式，在提高能量的前提下，不断增加对撞实验次数。不过，科学家也不清楚答案究竟会在哪里，或者究竟哪一种新粒子的出现能够回答各种理论中的未解之谜。他们希望通过检测宇宙的任何构件的每一方面，最终能够找到答案所在。

升级计划

LHC主要有三方面的升级计划。第一，亮度提高计划（HL-LHC）。计划将LHC的峰值对撞亮度提高到5×1034/（厘米2·秒），年积分亮度达到250fb-1。第二，电子强子对撞计划（LHeC）。这个计划需增加一个能量为60吉电子伏的电子加速器，产生的电子束与 LHC中的强子束进行对撞。第三，高能量LHC计划（高爆弹LHC）。计划将主导磁场提高到15~20特，质子-质子对撞的质心能量255~ 33太电子伏，重离子重离子对撞的能量也相应提高。HIL-LHC计划已获批准，正加紧实施，预期在2023年完成。LHeC和HE LHC仍在方案研究阶段，能否实施取决于经费和技术可行性等词者方面的因素。

2020年，欧洲核子研究中心（CERN）批准一份新文件：计划在日内瓦地下隧道中建造一个长达100公里的圆形超级对撞机，以推动高能物理学的前沿研究。计划建造的新对撞机叫做“未来环形对撞机”（Future Circular Collider，FCC），其长度将是LHC（27公里）的近4倍，比北京五环还略长，预计耗资至少210亿欧元（约合人民币1660亿元）。

2026年，高亮度LHC项目预计正式开始运行，其亮度将比LHC提升5到10倍，从而大大提升LHC的性能。据CERN官网介绍，2013年，高亮度LHC项目被欧洲粒子物理战略列为首要优先项目。按照目前CERN的预算，从2015年到2026年期间，高亮度LHC的设备预算是9.5亿瑞士法郎，折合人民币约67亿元。

中国参与

目前，已有60余名中国科学家参与了LHC实验。其中，LHC的四个主要实验均有中国科研单位和高校参与，分别为：中科院高能物理研究所、中国科技大学、山东大学、南京大学等参与ATLAS实验；中科院高能物理研究所、北京大学等参与CMS实验；中科院高能物理研究所、华中师范大学等参与ALICE实验；清华大学等参与LHCb实验。中国科学家团队还在大型强子对撞机希格斯粒子性质研究中发挥了重要作用。在国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“大型强子对撞机CMS、ATLAS和ALICE实验物理研究”的支持下，中科院高能物理研究所陈和生团队深度参与了大型强子对撞机（LHC）上3个主要实验-CMS、ATLAS和ALICE-的国际组工作。项目团队成员担任CMS希格斯联合分析及性质组召集人，负责组织希格斯粒子相关的联合物理分析，并在大部分数据分析工作中发挥了领导作用。

中国科学院高能物理研究所的计算中心还建立了LHC数据分析的网络平台，有2500个CPU，加入全球LHC的实验数据分析网络，为中国物理学家和世界各国的物理学家服务。实验期间，中国每年派出一批科学家和研究生到CERN 参加LHC值班取数，分析数据，另外，中国科学家也可以在国内通过网络获取CERN的数据，在国内编写数据分析程序，通过网络把作业交到CERN，利用CERN 强大的计算能力，进行分析，通过网络获得分析结果。高能所的CMS合作组通过定期的视频交流参与合作。中国通过多种方式促进了LHC相关工作交流，2020年11月清华大学举办了第六届中国LHC物理会议。会议旨在促进实验工作者和理论工作者在与LHC有关的物理问题上进行卓有成效的合作。