量子力学大型粒子对撞机详解.ppt

《量子力学大型粒子对撞机详解.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《量子力学大型粒子对撞机详解.ppt（13页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、小组成员：小组成员：欧洲大型强子对撞机欧洲大型强子对撞机 英文名称：英文名称：LHC(Large Hadron Collider)LHC(Large Hadron Collider)：大型强子对撞机是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织大型强子对撞机是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERNCERN的粒子加速器与对的粒子加速器与对撞机，作为国际高能物理学研究之用。撞机，作为国际高能物理学研究之用。它是世界上最大、能量最高的粒子加速器它是世界上最大、能量最高的粒子加速器。它是一种将质子加速对撞的高能物理设备，此圆形加速器的环状隧道有它是一种将质子加速对撞的高能物理设备，此圆形加速器的环状

2、隧道有 27 27 公里长，公里长，深埋于地下深埋于地下100100米，横跨法国和瑞士的边境。由来自大约米，横跨法国和瑞士的边境。由来自大约8080个国家的个国家的70007000名科学家和工程名科学家和工程师，自师，自19941994年立项开始历经年立项开始历经1414年，共同完成这项伟大的工程，在建设过程中，也不幸有年，共同完成这项伟大的工程，在建设过程中，也不幸有工程师和科学家因事故献出自己宝贵的生命。工程师和科学家因事故献出自己宝贵的生命。(1)(1)加速器通道中放置两个质子束管。加速管由超导磁铁所包覆，以液态氦来冷却。加速器通道中放置两个质子束管。加速管由超导磁铁所包覆，以液态氦来冷

3、却。(2)(2)管中的质子是以相反的方向，环绕着整个环型加速器运行。除此之外，在四个实管中的质子是以相反的方向，环绕着整个环型加速器运行。除此之外，在四个实验碰撞点附近，另有安装其他的偏向磁铁及聚焦磁铁。验碰撞点附近，另有安装其他的偏向磁铁及聚焦磁铁。(3)(3)LHCLHC加速环的四个碰撞点，分别设有五个侦测器在碰撞点的地穴中。加速环的四个碰撞点，分别设有五个侦测器在碰撞点的地穴中。主要结构：主要结构：林恩林恩埃文斯埃文斯欧洲大型强子对撞机的领导者。欧洲大型强子对撞机的领导者。获得了英国斯旺西大学的物理学博士获得了英国斯旺西大学的物理学博士学位。学位。19691969年，他花年，他花3 3个

4、月时间访问个月时间访问了这一欧洲核子物理研究组织项目。了这一欧洲核子物理研究组织项目。从此，他和妻子以及家人就定居在这从此，他和妻子以及家人就定居在这里。里。60 60余名中国科学家（其中近四十人为台湾科学余名中国科学家（其中近四十人为台湾科学家）参与强子对撞机实验。四个主要实验均有中家）参与强子对撞机实验。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、南京大学理研究所、中国科技大学、山东大学、南京大学参与参与ATLASATLAS实验；中科院高能物理研究所、北京大实验；中科院高能物理研究所、北京大学参与学

5、参与CMSCMS实验；华中师范大学参与实验；华中师范大学参与ALICEALICE实验；实验；清华大学参与清华大学参与LHCbLHCb实验。实验。技术原理：技术原理：在这个加速器里面，在这个加速器里面，2 2束高能粒子流在彼此相撞之前，以接近光速的速束高能粒子流在彼此相撞之前，以接近光速的速度向前传播。这两束粒子流分别通过不同光束管，向相反方向传播，这两根度向前传播。这两束粒子流分别通过不同光束管，向相反方向传播，这两根管道都处于超高真空状态。一个强磁场促使它们围绕加速环运行，这个强磁管道都处于超高真空状态。一个强磁场促使它们围绕加速环运行，这个强磁场是利用超导电磁石场是利用超导电磁石冷却到零下

6、冷却到零下271获得的。因此大部分加速器都与一个获得的。因此大部分加速器都与一个液态氦分流系统和其他设备相连用来冷却磁体。液态氦分流系统和其他设备相连用来冷却磁体。大型强子对撞机利用数千个种类不同的磁体，给该加速器周围的粒子束大型强子对撞机利用数千个种类不同的磁体，给该加速器周围的粒子束指引方向。这些磁体中包括指引方向。这些磁体中包括1515米长的米长的12321232双极磁体和双极磁体和392392四极磁体，四极磁体，12321232双双极磁体被用来弯曲粒子束，极磁体被用来弯曲粒子束，392392四极磁体每个都有四极磁体每个都有5 5到到7 7米长，它们被用来集米长，它们被用来集中粒子流。中

7、粒子流。在碰撞之前，大型强子对撞机利用另一种类型的磁体在碰撞之前，大型强子对撞机利用另一种类型的磁体“挤压挤压”粒子，让粒子，让它们彼此靠的更近，以增加它们成功相撞的机会。它们彼此靠的更近，以增加它们成功相撞的机会。这些粒子非常小，让它们相撞，就如同让从相距这些粒子非常小，让它们相撞，就如同让从相距1010公公里的两地发射出来的两根针相撞一样。里的两地发射出来的两根针相撞一样。车与车的碰撞？车与车的碰撞？事故事故人与人的碰撞？人与人的碰撞？故事故事粒子与粒子如何碰撞？粒子与粒子如何碰撞？真正的对撞机里，束流其实是很多团粒子，按照严真正的对撞机里，束流其实是很多团粒子，按照严格的时间间隔，从次级

8、加速器注入到主加速器管道中的。每格的时间间隔，从次级加速器注入到主加速器管道中的。每一团这样的粒子，叫团簇。一团这样的粒子，叫团簇。按照大型强子对撞机（按照大型强子对撞机（LHC）的设计，）的设计，每一个束流有每一个束流有 2808 个团簇；每一个团簇内个团簇；每一个团簇内部有大约部有大约1.15*1011个质子；这些质子以近个质子；这些质子以近光速运动，换算过来就是，大概每光速运动，换算过来就是，大概每 25 纳秒纳秒就会有两个团簇在反应点碰上，其中的就会有两个团簇在反应点碰上，其中的 2530 对质子会发生强碰撞。对质子会发生强碰撞。当然，这不是巧合，如何让这些团簇当然，这不是巧合，如何让

9、这些团簇里的质子都有相同的能量，如何保证它们在里的质子都有相同的能量，如何保证它们在漫长的跑圈过程中（每一批束流在主环里一漫长的跑圈过程中（每一批束流在主环里一般需跑上般需跑上10小时）不分散开并保持严格的间小时）不分散开并保持严格的间距，如何让两个束流的团簇能同步在反应点距，如何让两个束流的团簇能同步在反应点碰面，这些都是加速器物理学家和工程师付碰面，这些都是加速器物理学家和工程师付出巨大努力的结果。出巨大努力的结果。研究的课题：研究的课题：1.牛顿未完成的工作牛顿未完成的工作什么是质量？什么是质量？质量的起源是什么？为什么微小粒子拥有质量，而其它一些粒子质量的起源是什么？为什么微小粒子拥有

10、质量，而其它一些粒子却没有这种却没有这种“待遇待遇”？最有可能的解释似乎可以在希格斯玻色子身上？最有可能的解释似乎可以在希格斯玻色子身上找到。找到。希格斯玻色子希格斯玻色子是是“标准模型标准模型”这一粒子物理学理论中最后一种这一粒子物理学理论中最后一种尚未被发现的粒子，它的存在是整个尚未被发现的粒子，它的存在是整个“标准模型标准模型”的基石。早在的基石。早在19641964年，苏格兰物理学家彼得年，苏格兰物理学家彼得希格斯便首次预言存在这种粒子，科学家希格斯便首次预言存在这种粒子，科学家多次通过这台机器观测到这种粒子。多次通过这台机器观测到这种粒子。2.2.一个一个“看不见看不见”的问题的问题

11、96%96%的宇宙由什么构成？的宇宙由什么构成？我们在宇宙中看到的一切，都是由普通粒子构成的。这些粒子被统称为物质，我们在宇宙中看到的一切，都是由普通粒子构成的。这些粒子被统称为物质，它们构成了它们构成了4%4%的宇宙。余下的部分据信由的宇宙。余下的部分据信由暗物质暗物质不发光的物质和暗能量构成，不发光的物质和暗能量构成，它们对于整个宇宙的构成与运行有着极其重要的作用。对它们进行探测和研究的它们对于整个宇宙的构成与运行有着极其重要的作用。对它们进行探测和研究的难度不可想象。研究暗物质和暗能量的性质是当今粒子物理学和宇宙学面临的最难度不可想象。研究暗物质和暗能量的性质是当今粒子物理学和宇宙学面临

12、的最大挑战之一。大挑战之一。3.3.“大爆炸大爆炸”的秘密的秘密物质在宇宙诞生后的第一秒呈什么状态？物质在宇宙诞生后的第一秒呈什么状态？构成宇宙万物的物质据信来源于一系列密集而炽热的基本粒子。现在宇宙构成宇宙万物的物质据信来源于一系列密集而炽热的基本粒子。现在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子都是被称之为“胶子胶子”的其它粒子束缚夸克形成的。这种束缚非常强大，但的其它粒子束缚夸克形成的。这种束缚非常强大，但在最初的宇宙，由于温度极高加之能量巨大，胶子很难将夸克结合在一起。也

13、在最初的宇宙，由于温度极高加之能量巨大，胶子很难将夸克结合在一起。也就是说，这种束缚似乎是在就是说，这种束缚似乎是在“大爆炸大爆炸”发生后的最初几微秒内形成的，此时的发生后的最初几微秒内形成的，此时的宇宙拥有一个由夸克和胶子构成的非常炽热而密集的混合物，也就是所说的宇宙拥有一个由夸克和胶子构成的非常炽热而密集的混合物，也就是所说的“夸克夸克-胶子等离子体胶子等离子体”。闻名世界的荣誉：闻名世界的荣誉：1.1.世界上最大的机器世界上最大的机器 大型强子对撞机的精确周长是大型强子对撞机的精确周长是2.66592.6659万米，内部总共有万米，内部总共有93009300个磁体。大型强子个磁体。大型强

14、子对撞机不仅是世界上最大的粒子加速器，而且仅它的制冷分配系统的八分之一，就对撞机不仅是世界上最大的粒子加速器，而且仅它的制冷分配系统的八分之一，就称得上是世界上最大的制冷机。制冷分配系统在充满近称得上是世界上最大的制冷机。制冷分配系统在充满近6060吨液态氦，将所有磁体都吨液态氦，将所有磁体都冷却到零下冷却到零下271.3271.3（1.91.9开氏度）前，它将先利用开氏度）前，它将先利用1.0081.008万吨液态氮将这些磁体的万吨液态氮将这些磁体的温度降低到零下温度降低到零下193.2193.2。2.2.世界上最快的跑道世界上最快的跑道 功率达到最大时，数万亿个质子将在功率达到最大时，数万

15、亿个质子将在大型强子对撞机周围的加速器环内以每秒大型强子对撞机周围的加速器环内以每秒1.12451.1245万次的频率急速穿行，它们的速度万次的频率急速穿行，它们的速度是光速的是光速的99.9999991%99.9999991%。两束质子束分别以。两束质子束分别以7000070000亿电子伏特的最大功率相向而行，在亿电子伏特的最大功率相向而行，在功率达到功率达到140000140000亿电子伏特时发生碰撞。亿电子伏特时发生碰撞。每秒总共能发生大约每秒总共能发生大约6 6亿次撞击。亿次撞击。3.3.太阳系中最空的空间太阳系中最空的空间 为了避免加速器中的粒子束与空气分子相撞，这些粒子束在像行星间

16、的为了避免加速器中的粒子束与空气分子相撞，这些粒子束在像行星间的空间一样空荡的超真空环境中穿行。大型强子对撞机的内压是空间一样空荡的超真空环境中穿行。大型强子对撞机的内压是10的负的负13次方次方个大气压，比月球上了压力还小个大气压，比月球上了压力还小10倍。倍。4.4.银河系最热点银河系最热点 大型强子对撞机是一个极热和极冷并存的机器。当两束质子束相撞时，它们大型强子对撞机是一个极热和极冷并存的机器。当两束质子束相撞时，它们将在一个极小的空间内产生比太阳中心热将在一个极小的空间内产生比太阳中心热1010万倍的高温。与之相比，促使超流体万倍的高温。与之相比，促使超流体氦在加速器环周围循环的制冷分配系统，让大型强子对撞机保持在零下氦在加速器环周围循环的制冷分配系统，让大型强子对撞机保持在零下271.3271.3（1.91.9开氏度）的超低温环境下，这个温度比外太空的温度还低。开氏度）的超低温环境下，这个温度比外太空的温度还低。