大型强子对撞机将开展首次质子束测试

 大型强子对撞机将开展首次质子束测试

Translated by socrates

        若顺利完成本周末一个测试，官方的正式启动日期初步定为9月10日。

        经过14年建设期和投入80亿美元建设经费后，世界上最强大的粒子加速器即将按计划开始测试和实验。

        大型强子对撞机（LHC）坐落在瑞士日内瓦城附近，近期已准备就绪；各国合作设计建造 LHC 的目的是将质子加速到前所未有的速度，然后对撞粉碎以揭示宇宙的新奥秘。但直至今天，科学家们只完成了将乒乓球注入圆形粒子束管道中以测试是否存在障碍。

       但是事情有了最新进展。本周末，欧洲原子核研究组织（ CERN ）计划测试加速器的一个重要部件，通过将一束低强度质子束沿顺时针方向导入 LHC ，并且让它在机器内运行3公里（2英里）。

在 ATLAS 上安装粒子束管道，ATLAS 是 LHC 上两个主要的探测粒子碰撞的探测器之一。

        根据实验室今天发布的公告，如果本周末的测试如期按计划进行，那么9月10日——机器的官方启动日——预备将第一束质子束导入 LHC ，令其运行整个27公里（17英里）的周长。

         本周末的测试标志着 CERN 首次通过一系列小型加速器将质子（或简称为“束”）导入 LHC 。这些初级注入加速器（ feeder accelerators ）不能直接（将质子束）注入LHC，因其管道被引导质子的铁磁体所密闭包围（译者注：一般都是用交变的电磁场加速质子）。

        （从初级注入加速器出来的质子若不经过调整将肯定是）以某个角度进入 LHC 的。这意味着必须设置一个磁铁，以便调整质子束方向以保证沿着切向方向导入圆形粒子束管道。CERN 迄今还没机会对这个充当“踢球者”角色的磁铁进行相关测试，该磁铁必须在某个精确的时刻开启，将接近光速的粒子束导入 LHC ，且随之快速关闭。

        如果测试成功，“相信本周末会有许多人非常高兴，” CERN 的发言人断言。但也许需要数次尝试，他补充道。

        然后，在接下来的数周，CERN 计划在环上的不同位置将第二束逆时针方向注入的粒子束导入 LHC 。LHC 设计成将两束反向传输的粒子束进行对撞——一束顺时针，另一束逆时针——其中每一束都有7特拉（ TeV ）电子伏能量，约相等于一列加速列车的能量。（ 1 TeV 相当于1万亿电子伏。）

        研究者相信，当两束总能量达到14 TeV的粒子束对撞的时候，从未见过的粒子可能将出现，比如追寻了很久的希格斯玻色子（  Higgs boson ），它被认为是物质质量的来源。

       （ LHC 中）用绝对零度（华氏-459.67度，或摄氏-273。15度）之上1.9K（华氏3.4度）的液氦冷却的强大超导磁体，用于确保质子的运行并且将之加速到更高的速度。 CERN 计划9月10日注入的回旋粒子将是 LHC 所能容许的最小能量——只有0.45 TeV。实验室计划在年底将两束粒子束的总能量推高到10 TeV。

        工人们仍然在冷却 LHC 的八个节点（ sectors ），它们被规定为质子进入环道或者发生对撞的地点。在本周末的测试中，研究者们将在第二个节点将粒子束注入，然后在将之传输到第三个节点上——目前唯一达到操作温度的节点，该处节点设置了一个可移除的障碍物。

        第一次开启加速器易于暴露一些小缺陷，  Peter Limon 说道，他是位于伊利诺斯州 Batavia 的费米国家加速器实验室 （ Fermilab ）的物理学家，近两年常驻在 CERN 。

        据他说，当 Fermilab 在1983年第一次将整束粒子送入 Tevatron 机器时，粒子束沿着6公里（4英里）长的管道传输了数圈就停下来了。后来发现问题在于：一张棉纸 Kimwipe 堵塞住了管道。

        类似的障碍物会延迟 LHC 的计划数周。为了移除障碍物，研究者将不得不对障碍物附近的磁铁进行逐步加温，排除故障后，还要重新给它们降温。

        但工程师们希望他们的预测试——使用压缩空气将乒乓球注入管道——也许可以避免此类事故， Giilies 认为。“这是种非常简单而有效的办法，”他说，“如果乒乓球出来了，那你就知道粒子束管道畅通无阻。”

        Limon 认为这个结果未必可靠。他认为，问题更有可能出现在沿着管道分布的数以千计的传感器，这些传感器用于监视粒子束的位置和强度，以及寻找其中摆向左或摆向右的轻微偏移。

        如果电缆放置错误将改变传感器的“极性（ polarity ）”，其后果是混淆了左和右。“这些材料中的许多都已经经过测试，但是它们中无一经过粒子束存在情形下的测试，” Limon 说道。

        如果 LHC 中的1200个扭曲磁铁中的任何一个有哪怕是轻微的倾斜，粒子束都会朝上或朝下发生改向，从而脱离环道平面。遇到这种情形， CERN 将调整补偿磁铁的强度以诱使粒子束重新回到平面上。

        如果没有测试，就不可能知道，“最终将发现粒子束是独一无二的。” Limon 坚信。