)大型强子对撞器
大型强子对撞器（LargeHadronCollider，LHC）是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERN的粒子加速器与对撞机，作为国际高能物理学研究之用。(全球定位点：北纬46度14分00秒，东经6度03分00秒46.233333333333;6.05)LHC已经建造完成，2008年9月10日开始运作，到时将成为世界上最大的粒子加速器设施。LHC是一个国际合作的计划，由85国超过八千位物理学家所属的大学与实验室，所共同出资合作兴建的。
编辑摘要
设备
隧道
大型强子对撞机位于瑞士、法国边境地下100米深的环形隧道中，隧道全长达27公里大型强子对撞机的主要建筑就是27公里长的圆形加速器超导磁铁环，其主要工作就是加速能量粒子，使其在此环中的不同探测器上发生碰撞。这是先前大型电子正子加速器(LEP)所使用隧道的再利用。隧道本身直径三公尺，位于同一平面上，并贯穿瑞士与法国边境，主要的部份大半位于法国。虽然隧道本身位于地底下，尚有许多地面设施如冷却压缩机，通风设备，控制电机设备，还有冷冻槽等等建构于其上。
此隧道里面是二个分离的真空管，是这些近光速的粒子运行的通道。这些高速粒子由强大磁场来引导运行。数千块不同大小和类型的磁铁用来指引粒子束环绕此加速器运行。其中包括1200多块“偶极”磁铁、每一块长15米、是用来弯曲粒子束的，以便让它能绕此环运行。另有近400块“四极”磁体，每一块长5-7米，用来聚集此粒子束的。第三种磁铁用于挤压粒子束，以便让粒子彼此更加靠近，从而加大其撞击的机会。
许多磁铁由超导电缆线圈制成，这些超导电缆几乎没有电阻，因此耗电极少。为增强此电缆的超导效应，科学家通过液氮将它们冷却到接近绝对零度的低温，具体说是零下271摄氏度。此工作由控制中心来监控和管理。科学家则通过控制中心来操纵粒子束，确保撞击发生在此圆环所在的探测器位置处。
此隧道不是很圆的环，而是一系列弧构成。此机器中的磁铁线圈由36根电缆组成，而电缆是由15毫米长的缆绳拧成的。每一根缆绳由6400根缆丝构成，而每一根缆丝直径只有7微米，相比之下，人类头发丝的直径为50微米。这些电缆总长度达到7600公里，相对应的缆绳长度总计达到27万公里，这足可以环绕地球6圈。如果这些缆丝被拆开，它们的长度可以来回伸到太阳5次以上。
计算网格系统
大型强子对撞机运转后，每年将产生大约1500万亿字节的数据，一年的数据相当于10万张DVD光盘的容量，每4分钟就能存满一个100GB的硬盘。世界各地的数千名科学家都希望了解并分析这些数据。为了解决这个问题，目前欧洲粒子物理研究所(CERN)正在建一个分散的计算和数据储存设施——大型强子对撞机计算网格(LCG)。此网格是一个计算机网络，每一台计算机能各自分析大量的数据。一旦计算机完成其自己的分析工作，就会将其发现发送到中心计算机，从而再接受新数据进行分析。只要科学家能将数据分成不同的块，此系统就能很好地工作。在计算机行业，这叫“网格计算”。
大型强子对撞机实验产生的数据，将通过欧洲粒子物理研究所的“帐房”进行分类和保存后，再分批送到欧洲核子物理研究组织的计算机中心，在磁带进行原始数据备份后，再分发到世界各地。经过初始加工，这种数据将被传送到一系列大型计算机中心，这些计算机中心一天二十四小时不停地为大型强子对撞机计算网格提供服务。经过这些计算机中心的处理，其他设备就可使用这些数据了。其他的设备每个都有一个或几个实施特殊分析任务的联合计算机中心组成。每个科学家可通过大学部门的局域网或个人电脑了解这些设备，这些人可能会经常查看大型强子对撞机计算网格。大约有7千名科学家会对这些数据信息进行分析。
技术设计
加速器通道中，主要是放置两个质子束管。由于须维持前所未有高能量的粒子运行，加速管由超导磁铁所包覆，以液态氦来冷却。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，另有安装其他的二极偏向磁铁及四极聚焦磁铁。
两个对撞加速管中的质子，初步将以 5 TeV（Tera Electron Volt, 兆电子伏特）的能量对撞，总撞击能量达10 TeV之多。（设计目标为14 TeV）每个质子环绕整个储存环的时间为89 微秒 。因为同步加速器的特性，加速管中的粒子是以粒子团（bunch）的形式，而非连续的粒子流。整个储存环将会有2800个粒子团，最短碰撞周期为25纳秒 。在加速器开始运作的初期，将会以轨道中放入较少的粒子团的方式运作，碰撞周期为 75 奈秒，再逐步提升到设计目标。
在粒子入射到主加速环之前，会先经过一系列加速设施，逐级提升能量。其中，由两个直线加速器所构成的质子同步加速器（PS）将产生50 MeV的能量，接着质子同步推进器（PSB）提升能量到1.4GeV。而质子同步加速环可达到26 GeV的能量。低能量入射环（LEIR）为一离子储存与冷却的装置。反物质减速器（AD）可以将3.57 GeV的反质子，减速到2 GeV。最后超级质子同步加速器（SPS）可提升质子的能量到450 GeV。
在LHC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。其中超环面仪器（ATLAS）与紧凑渺子线圈（CMS）是通用型的粒子侦测器。其他三个（LHC底夸克侦测器（LHCb）, 大型离子对撞器（ALICE）以及全截面弹性散射侦测器（TOTEM）则是较小型的特殊目标侦测器。
LHC也可以用来加速对撞 重离子，例如 铅（Pb）离子因其荷质比(电荷和质量的比值)可加速到1150 TeV。
由于LHC有着对工程技术上极端的挑战，安全的确保是极其重要的。当LHC开始运作时，磁铁中的总能量高达100亿焦耳（GJ），而粒子束中的总能量也高达725百万焦耳（MJ）。只需要10−7总粒子能量便可以使超导磁铁脱离超导态，而丢弃全部加速器中的粒子可相当于一个小型的爆炸。
紧凑μ介子螺线管(CMS)是一种大型探测器。如同ATLAS一样，紧凑μ介子螺线管也是多面手探测器，将探测和测量撞击时释放的亚粒子，包括希伯斯玻色子。虽然CMS实验目的与ATLAS相同，都是探测构成我们宇宙的基本物质和基本力，但这个探测器的磁铁系统却采用了完全不同的技术和设计方案。此探测器位于巨大螺管式磁铁中，采用圆柱形超导电缆线圈，可产生4特斯拉的磁场，相当于地球磁场的10万倍。而且，这个巨大磁场受一个“铁轭”限制——探测器1.25万吨的重量大部分来自“铁轭”。与大型强子对撞机的其它巨型探测器有所不同 氖牵珻MS探测器并不是在地下而是在地上建造的，建成后分成15个部分被运至地下，最后完成组装，这也算得上它的一大特色。共有来自近40个国家的2000多名科学家参与CMS实验。
基本情况：尺寸：长21米，宽15米，高15米
重量：1.25万公吨
位置：法国塞希(Cessy)
设计：桶状且端口加盖
材料成本：2.455亿英镑（4.58亿美元）
ATLAS是一台巨型数字照相机，能够拍摄质子间6亿次碰撞的照片名为“A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS)”的探测器是最大的探测器，长46米、高25米、宽25米，大小是巴黎圣母院的一半；它重约7千吨，和巴黎艾菲尔铁塔的重量相当。此项实验涉及到物理学的很多领域，包括寻找希伯斯玻色子、微型黑洞、额外维度以及构成暗物质的粒子。与CMS的实验目的一样，ATLAS也将记录与撞击时产生的粒子有关的类似数据，即它们的路径、能量以及特性等等。
ATLAS和CMS都是通用探测器，虽然实验目的相同，但ATLAS和CMS探测器的磁铁系统却采用了完全不同的技术和设计方案。巨大的圆环形磁铁系统是它的主要特征。这一系统由8个25米长的超导磁铁环组成。磁铁环分布在贯穿探测器中心的粒子束管周围，形成一个“圆筒”。其核心是一个叫内层跟踪器的装置。此内层跟踪器探测和分析穿越ATLAS探测器的粒子的动量。围绕此内层跟踪器的是量能计，是来测量被它们吸收的粒子的能量。科学家能看到这些粒子的路径，从而推断出它们的相关信息。此 猓?SPAN lang=EN>ATLAS还有μ介子分光计。μ介子是一种带负电的粒子，比电子重200倍。μ介子能毫无停留地穿过量能计，这是惟一能做到这一点的一种粒子。此分光计通过带电粒子传感器来测量每一个μ介子的动量，这些传感器还能测量到ATLAS探测器磁场中的风吹草动。
共有来自37个国家的159个研究机构的1700多名科学家参与ATLAS实验。
基本情况：
尺寸：长46米，高25米，宽25米。
重量：7千吨
位置：瑞士梅林(Meyrin)
设计：桶状且端口加盖
材料成本：2.45亿英镑（4.57亿美元）
ALICE探测器是“大型离子撞击实验（A Large Ion Collider Experiment）”的简写，是专门用于研究离子与离子之间的撞击情况。通过高速撞击离子，科学家希望在实验室条件下重造宇宙大爆炸后的即时状况。他们期望看到此离子分裂成夸克和胶子，重造夸克-胶子等离子体，据信它们在宇宙大爆炸发生后只存在很短的时间。它们处于这种“流体”状态，因为早期宇宙特别热。当它们膨胀和冷却时，ALICE将用于研究这种夸克-胶子等离子体。ALICE的主要部件是定时发射膛(TPC)，能检查和重建粒子轨道。像ATLAS和CMS探测器一样，ALICE也有μ介子分光计。
现在宇宙的所有普通物质都是由原子构成，每个原子拥有一个由质子和中子构成的核子，核子周围环绕着电子。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。这种不可思议的强大束缚意味着独立的夸克是永远也不会被发现的。
大型强子对撞机内上演撞击时产生的高温是太阳内部温度的10万倍。物理学家希望看到质子和中子会在这种高温条件下“熔化”，并释放被胶子束缚的夸克，从而创造出夸克-胶子等离子体，它们可能只存在于“大爆炸”之后，当时的宇宙仍处在极度高温之下。科学家计划在夸克-胶子等离子体膨胀和冷却过程中对其进行研究，观察它如何形成最终构成当前宇宙物质的粒子。共有来自28个国家的94个研究机构的1000多名科学家参与ALICE实验。
基本情况：
尺寸：长26米，高16米，宽16米。
重量：1万吨
位置：法国小镇圣吉利斯-珀利(St Genis-Pouilly)
设计：中心桶配单臂，伸向μ介子分光计。
材料成本：5600万英镑（1.04亿美元）
大型强子对撞机完美夸克（LHCb）探测器的目的就是搜寻反物质的证据。即通过搜寻所谓的完美夸克粒子来实现其目标。此探测器撞击点有20米长，周围布满一系列的亚探测器。这些探测器能以精微方向移动，以捕获完美夸克粒子，因此它们极不稳定且衰变迅速。LHCb实验将有助于我们理解人类为何生活在一个几乎完全由物质而非反物质构成的宇宙。
据信在宇宙大爆炸时，物质和反物质数量相当，但我们至今没有发现证据表明反物质的星系或恒星存在。为了查明这一点，LHCb将通过研究完美夸克粒子来探测物质和反物质之间的微小差异。
LHCb探测器不同于将Atlas和CMS那样将整个撞击点由密封的探测器围起来，而是使用一系列子探测器去探测前行粒子(forward particle)。第一个子探测器将安装到撞击点附近，而接下来的探测器将会一个挨一个安装，它们的长度都超过20米。大型强子对撞机撞击粒子束时将产生大量不同类型的夸克，然后它们将快速蜕变为其他类型。为捕捉到“完美夸克”，LHCb项目小组已开发出先进的可移动跟踪探测器，并安装在围绕于大型强子对撞机周围的光束路径附近。LHCb项目小组由来自13个国家48所研究机构的650位科学家组成。
全截面弹性散射侦测器(TOTEM)实验是大型强子对撞机中2个小型探测器中的一个。它将测量质子大小和大型强子对撞机的发光度，以重点分析普通实验难以获得的物理学原理。在粒子物理学中，发光度是指粒子加速器产生撞击的精确度。想要做到这一点，全截面弹性散射侦测器就必须捕捉到距大型强子对撞机光束非常近的粒子。TOTEM由一组安放在称为“罗马罐”(Roman pot)的特制真空室的探测器组成。
“罗马罐”同大型强子对撞机的光束管道相连装置。8个“罗马罐”将被一对一对地置于CMS实验撞击点附近的四个地点。尽管从科学意义上讲这两次实验是独立的，但TOTEM实验将是CMS探测器和其他大型强子对撞机实验所获结果的有力补充。来自8个国家10所研究机构的50位科学家将参与TOTEM实验。
大型强子对撞机前进（LHCf）探测器。此实验是模仿在可控制环境下的宇宙射线。其目的是帮助科学家找到设计大区域实验的方法，以研究自然发生的宇宙射线撞击。宇宙射线是自然产生于外太空的带电粒子，不断轰击地球大气层。它们在高层大气与核子相撞，产生一连串到达地面的粒子。研究大型强子对撞机内部撞击如何引起类似的粒子串有助于科学家解释和校准大规模宇宙射线实验，这种实验会覆盖数千公里的范围。来自4个国家10所研究机构的22位科学家将参与LHCf实验。
欧洲核研究组织(CERN)的科学家在瑞士操纵大型强子对撞器物理学家希望借由加速器对撞机来帮助他们解答下列的问题：
1、标准模型中所流行的造成基本粒子质量的希格斯机制是真实的吗？真是如此的话，希格斯粒子有多少种，质量又分别是多少呢？
2、为何重力相对于其他作用力是如此地微弱？当重子的质量被更精确的测量时，标准模型是否仍然成立？
3、自然界中粒子是否有相对应的“超对称”（SUSY）粒子存在着？
4、为何“物质”与“反物质”是不对称的？
5、有更高维度的空间（卡鲁扎-克莱因理论）存在吗？我们可以见到这启发弦论的现象吗？
6、宇宙有 96% 的质能是目前天文学上无法观测到的暗物质与暗能量，这些的组成到底是什么？
7、为何重力比起其他三个基本作用力（电磁力，强作用力，弱作用力）差了这么多个数量级？
虽然LHC的物理实验计划，着重于研究质子对撞后的现象。然而，短期的如每年一个月的重离子对撞也在实验计划之中。虽然其他较轻的离子对撞实验也是可行的，目前主要的规划为铅离子的对撞实验。
将大型离子对撞实验(ALICE)的内部追踪系统运送到实验洞并将它嵌入定时发射膛(TPC)有提议在十年内LHC需要提升一次硬体性能。认为LHC需要作基本上硬体的修改以提升它的亮度(单位截面碰撞发生的频率).理想中LHC升级的途径将是包含增加粒子束的流量，以及修改两个需要高亮度的区域：ATLAS与CMS这两个侦测器来配合。下一代超大型强子对撞器的入射能量需增加到1TeV，因此前置入射装置也需升级，特别是在于超级质子同步加速器的部份。
LHC的建造经费最初是1995年通过的一笔26亿瑞朗，另有一笔两亿一千万元瑞朗的经费作为实验之用。然而，经费超支。在2001年的一次主要审核预期，将需增加四亿八千万元瑞朗在加速器的建造，与五千万元瑞朗的支出在实验运作上。同时，由于CERN年度预算的缩减，LHC的完工日期由2005年延后到2007年四月，以使用更多年度预算来支付。其中增加的一亿八千万元瑞朗，在于超导磁铁的制造上。另外，尚有在兴建放置CMS的地下洞穴时，遭遇到工程技术上的困难。预期的建造总额约为八十亿元美金。
LHC@Home是一个分散式计算的计划，用来支持LHC兴建与校正之用。这个计划是使用BOINC平台，来模拟粒子如何在加速器隧道中运行。有了这项资讯，科学家便可以决定如何放置磁铁与调整功率，来达到加速轨道运行的稳定。
大型强子对撞机生成第一幅图像在美国RHIC开始实验之时，同时包含内部的研究者与其他外部的科学家，都有担心类似的实验可能会引发理论上的一些灾难，甚至摧毁地球或是整个宇宙：
创造出一个稳定的黑洞
创造出比一般物质更稳定的奇异物质(构成假说中的奇异星的物质)吸收掉所有一般物质
创造出磁单极促成质子衰变
造成量子力学真空态的相变到另一个未知的相态(详见虚真空)
RHIC与CERN都有进行了一些研究调查，检视是否有可能产生例如微黑洞,微小的奇异物质(奇异微子)或是磁单极等危险的事件。这份报告认为“我们找不到任何可以证实的危害”例如，除非某个未经证实的理论是对的，否则是不可能产生出微小黑洞的。即使真的有微黑洞产生了，预期会透过霍金辐射的机制，很快就会蒸发消失，所以会是无害的。而认为即使像LHC这样高能量的加速器的安全性，最有力的论点在于一个简单的事实：宇宙射线的能量是比起LHC来要高出非常多数量级的，太阳系星体从形成到现在这么多年下来，都不断地被宇宙射线轰击。既没有产生出微黑洞,微小的奇异物质或是磁单极来，太阳、地球和月球也都没有因此而被摧毁。
然而，仍有一些人还是对LHC的安全性有疑虑：像是这一个有着许多新的，未经测试过的实验，是没有办法完全保证说上述的情况不会发生。JohnNelson在伯明罕大学谈到RHIC说"这是非常不可能会有危害的-但是我无法百分之百保证。"另外在学术界，对于霍金辐射是否是正确的，也是有一些疑问。
RHIC自2000年运作到现在，都没有有产生可以摧毁地球的物质的迹象。
在2005年10月25日，因为起重机载货的意外掉落，造成一位技术人员的丧生。
2007年3月27日，由费米实验室所负责建造，一个用于 LHC 内部的三极低温超导磁铁（属于聚焦用四极磁铁），因为支撑架的设计不良，在压力测试时发生破损。虽然没有造成人员的伤亡，但是却严重影响了 LHC 开始运作的时程。费米实验室主任皮耶·奥登（Pier Oddone）说道：“在这个案例中，我们惊讶地发现到，一个简单的静力平衡被疏忽了。”这个错误存在原始的设计中，而且经过多年来数次的审核都没有发现。分析发现，为了缩小支撑架的粗细来达成束流管更佳的绝缘效果，却因此不足以支撑压力测试时，所施加的外力。详细的内容可见于费米实验室的对外说明，CERN 也同意其内容。 修复损坏的磁铁，并且补强八个同型的磁铁造成了 LHC 预计开始运行的时程，因此延迟到2007年11月。
2008年9月19日，LHC第三与第四段之间，冷却超导磁铁用的液态氦发生了严重的泄漏，占总量约1/3高达的6吨液态氦泄漏到隧道中。目前据推测是由于费米实验室负责建造的超导体磁铁，在联接两个的连接总线(bus bar)焊接不良，在超导高电流的情况下产生了热量使得超导体脱离超导态，电流经过瞬间的高电阻形成了电弧打穿了冷却设备的液态氦储存槽所造成的。依据CERN的安全条例，必需将磁铁升回到室温后详细检查才能继续运转，这将需要三到四周的时间。要再冷却回运作温度，也是得经过三四周的时间，如此即使直接替换掉损坏的元件不进行补强作业，也还是正好遇上预定的年度岁修时程，因此要开始运作将至少可能延迟至2009年春天。
2008年10月16日，CERN发布了关于液态氦泄漏事件的调查分析，证实了先前推测的为两超导磁铁间焊接点不良所造成的。由于安全条例确实地实行、安全设计皆有正常工作、并且替换用的零件都有库存，依目前CERN于2008年12月5日公布的时程，LHC将于2009年夏天开始恢复运转。
根据2009年4月30日 CERN 的最新公报，LHC 最后的一段维修偏向磁铁完成放置回隧道当中，自2008年9月19日泄漏事件以来毁损的磁铁维修作业终于告一段落。接下来的工作，将专注于完成磁铁间的连结工作以及预防未来类似泄漏事件的加强监控与补强作业。在此次的维修作业中，LHC 第三第四段间共有53个磁铁被替换掉。其中有16个损伤不大的磁铁，是以良品维修(refurbish)的方式来处理，而另外37个损坏较严重的部份，则是直接由备品替换。这些替换下来的磁铁，将在维修之后作为将来的备品料件使用。目前 LHC 管理部门所规划的时程，仍依照2009年2月9日 CERN 所公布的，将于九月底启动运转，并预计十月开始对撞实验。
