科学网—世界最大对撞机将制造宇宙最低温度

2019-10-17 作者:科技   |   浏览(111)

世界最大对撞机将制造宇宙最低温度

大型强子对撞机被冷却 成宇宙中温度最低地区之一

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名为“Alice”的探测器是大型强子对撞机圆形隧道周围4个巨型探测器中的一个

大型强子对撞机已成为宇宙中温度最低的地区之一

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重1.25公吨的Alice

强子对撞机的所有8个组成部分现已被冷却到1.9开氏温度这一操作温度,低于外太空温度。

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据国外媒体报道,经过冷却后,备受关注的大型强子对撞机已成为宇宙中温度最低的地区之一。强子对撞机的所有8个组成部分现已被冷却到1.9开氏温度(零下271摄氏度,零下456华氏度)这一操作温度,低于外太空温度。

Atlas是一台巨型数字照相机,能够拍摄质子间6亿次碰撞的照片——大型强子对撞机有能力让质子在一秒钟内完成6亿次碰撞

大型磁铁能够弯曲强子对撞机周围的粒子束,它们利用液态氦帮助对撞机保持这一绝对低温。强子对撞机位于法国-瑞士边境地下一条27公里长的环形隧道内,磁铁则被从头至尾置于隧道之中。据悉,对撞机将于11月下旬重启,对其进行冷却是重启前的一个重要步骤。

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2008年9月19日,由于所谓的磁铁“熄灭”导致一公吨液态氦渗入隧道,大型强子对撞机被迫关闭。液态氦泄露事故发生后,对撞机必须进行加温以达到进行维修需要的温度。大型强子对撞机是有史以来研制的功率最大的物理学设备,能够重建大爆炸之后的宇宙初期形态,由位于日内瓦的欧洲核子研究组织负责操作。

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实验过程中,两个质子束将被导入穿过磁铁的管道内。在环形隧道内,质子束将以接近光速的速度以相反方向飞行。在隧道周围指定的点,携带巨大能量的质子束相遇并发生碰撞。科学家希望在撞击产生的碎片中发现新的粒子,以便从根本上加深对宇宙本质的了解。

北京时间7月24日消息,据英国广播公司报道,在法国和瑞士边界下面的隧道修建的大型强子对撞机正在制造一个宇宙中最冷的地方,它将进入把温度降低到1.9绝对温标(零下271摄氏度,或零下456华氏度),目前已经进入实现这一目标的最后阶段。

大型强子对撞机的操作温度接近零下273.15摄氏度这一绝对零度,绝对零度是可能达到的最低温度。相比之下,外太空遥远区域的温度大约在2.7开氏温度(零下270摄氏度 ,零下454华氏度)左右。

这个目前世界上最大的对撞机拥有数千个磁体,它能利用液态氮维持这种寒冷的低温环境。这些磁体排列成环形,沿着巨大的隧道延伸27公里。一旦大型强子对撞机开始运行,两条粒子束流(通常由高能量加速的质子组成)将向下发射到那些穿过磁体的管子里。然后这些光束将以光速围绕主环向相反方向运行。

在设计上,强子对撞机采用的磁铁具有超导性,能够让电流通过时遭遇的阻力降为零,进而将能量损失降至最低。为了具有超导性,磁铁必须被冷却到相当低的温度。出于这个原因,对撞机采用了一个复杂的低温线路系统并利用液态氦作为制冷剂。迄今为止,还没有如此大规模的粒子物理学研究设备在如此低温条件下运行。

在隧道上的限定点,这些光束将相互交叉,通过激变的能量彼此相互撞击。科学家希望在这些碰撞产生的碎片中发现新粒子,以便进一步了解宇宙的自然状态和它是如何产生的。大型强子对撞机是有史以来制造的最强大的物理实验仪器,它将重新产生宇宙大爆炸后的自然环境。到目前为止,大型强子对撞机的8个部分中已经有6个的温度达到4.5到1.9绝对温标之间的温度,不过在最后几个月的某个阶段,这个对撞机的所有部分的温度都将降低到1.9绝对温标以下。与之相比,遥远外空的温度大约是2.7绝对温标)零下270摄氏度或零下454华氏度)。

在质子束绕27公里长的隧道运行前,工程师必须测试对撞机的新熄灭保护系统,同时进行磁铁供电测试。目前,质子束已经被送到大型强子对撞机“门前”。据悉,将一个低强度质子束导入对撞机最短需要一周时间。对质子束的测试只涉及对撞机自身组成部分,而不是整个环形隧道。

洛博托•萨伯恩领导了大型强子对撞机的电子元件试运行工作,他表示,为了在没有太大能量的情况下获得高磁场,这些磁体必须具有“超导性”。一些材料在温度非常低的环境下表现出的这种特性,能确保在零电阻和功率损耗非常低的情况下输送电流。氦在2.2绝对温标表现出惊人特性,因此成为“超流体”。这种特性让它能迅速传导热量,成为极其有效的制冷剂。萨伯恩解释说,至今还没有规模如此庞大的物理设备能在如此低的温度下运行。但是这个电子仪器是一种预示。

官员们计划在11月下旬让一个质子束绕对撞机环形隧道运行。在此之后,工程师将进行低强度质子束对撞实验,为科学家提供他们获得的第一手数据。质子束的能量随后将被提高以进行第一次高能对撞。所有这些标志着大型强子对撞机研究计划正式启动。高能对撞预计于12月进行,但据欧洲核子研究组织公关部负责人詹姆斯:吉利斯透露,对撞时间很有可能推迟至2010年1月。

他说:“对于这个机器的试运转,我们拥有非常系统的方法,这些方法是通过从模型中获得经验,经过非常小心的设计产生的。我们的座右铭是:科学没有捷径。改变现在非常寒冷的一个成分,就像把它从月球上带回地球。它需要大约3到4周时间进行加热。然后用1或2周进行转变。然后又需要3到6周时间再次降温。因此可想而知,我们犯下一个错误,就会白白浪费3个月时间。”目前大型强子对撞机的两个部分没有达到要求的低温,因此实验无法继续进行。这些部分内控制低温系统的电子将被转移到一个区域,该区域能更好地屏蔽粒子,防止它们在碰撞期间从这台机器中射出。

吉利斯博士表示,对这个加速器进行操作是一件非常细致的工作。“在对质子束进行加速的同时,你不得不因它们之间的距离而深深感到担忧。而等到希望它们进行碰撞时,你又希望它们尽可能靠得近一些。”他指出:“如果出现错误,你就可能失去质子束。整个过程需要一段时间才能趋于完美,在此之后,你所要做的就是等待碰撞发生。我们可以这样理解对撞机最后控制元件与碰撞点之间的距离,有点像位于大西洋两岸的两根织针进行碰撞。”

这个环中的一个部分将像大型强子对撞机运行和输送光束一样运转。通过这种方法,科研组成员能对软件和硬件进行调试,并获得周期运行操作的经验。大型强子对撞机的磁体还必须经历电试验。该机器的每个部分大约包含200个电路。每个电路可能由154个磁体或1个磁体构成。研究人员将对它们进行测试,以确定它们处理非常高的电流的能力。萨伯恩说:“我们给每个电路供能,确保它能在计划的电流范围内正常运行。但是首先我们必须检查它周围的保护系统(用来发现可能会出现的熄灭现象)是否能按照预计结果运行。”一些部分的磁体开始加热时会发生熄灭现象,以便阻止电流通过。工程师已经制成了一个恢复系统,它能在这些现象下对磁场产生影响,改变环状物周围的粒子方向,并切断循环光束前发现这些熄灭现象。

官员们计划在圣诞节和新年假期进行短暂休整,届时实验室将关闭。虽然管理人员已就如何在这段时间内完成相关工作进行讨论,但吉利斯表示后勤保障是一项非常复杂的工作。促使作出冬季关闭决定的主要因素是工人合约,合约问题需要重新进行谈判。

这台机器的制冷器将再用2周时间才能完成,目前没发现严重问题。对这台机器进行电流测试另外需要两周时间。在大型强子对撞机第一次“接通”前,质子光束将通过一个被称作喷射器的粒子加速器达到高能状态。一旦这台机器的温度降低,操作员将把光束发射到主环内,迫使它们通过每一个独立部分,直到断开电路。研究人员利用一个定时系统,确保每个部分都能像一个独立机器一样运行。大型强子对撞机接通后,它能在5万亿电子伏特的高能下运行。冬季它将被关闭,以便这些磁体能被“训练的”可以在7万亿电子伏特的高能下处理光束。

官员们表示,早期预警系统的升级将防止2008年导致对撞机关闭的类似事故发生。这种升级包括在对撞机周围安装数百个新探测器。2008年的事故发生后,欧洲核子研究投入大约4000万瑞士法郎对强子对撞机进行修复,其中就包括升级熄灭保护系统。

科学家准备迎接大型强子对撞机的“数据雪崩”

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