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大型强子对撞机其实很“冷”

液氦在大型强子对撞机(LHC)内外部的复杂管道中不断流动,由于这个低温冷却系统,LHC比星际空间更寒冷。那么,为什么它需要保持在如此寒冷的温度下呢?

欧洲原子核研究组织(CERN)的低温冷冻团队负责人Serge Claudet表示,如果不保持低温,磁体就不会起作用。

缠绕的电缆使LHC强大的电磁体携带了11800安培电流,大致相当于小型闪电。对于一根手指宽度的电缆来说,要携带这么多电流而不被烧毁,它就必须是超导体。超导体是一种具有零电阻的电流导体。每次你打开灯,你都能发现存在电阻。如果一个灯泡灯丝是由超导导线制成的,那它会既不产生热量,也不发光,电流会直接穿过。

大多数工业超导体只有在绝对零度(-273.15摄氏度)以上几度的低温下,才能获得超导的神奇特性。LHC放置在一个算是相当温暖的隧道里,大约27摄氏度。为了使超导磁体免受这种温和气候的影响,工程师们用绝缘层将其层层包裹起来,一层比一层凉,就像俄罗斯套娃,以此保护磁芯。

大型强子对撞机

最外部是一个真空室,就像一个热水瓶胆。最内部磁体被浸没在1.9开氏度(-271.25摄氏度)的超流体液氦形成的静态室中,液态氦渗透到LHC磁线圈的每个角落。

如果工程师们只需要担心保护LHC不受隧道的温暖影响,那么60厘米的液氦保护层就足够了。但最大的问题却在内部。

科学家表示,大部分热量出现在内部,来自质子束和磁体。热量是衡量多少粒子发生碰撞的物理量,而在LHC核心中流过350亿亿个质子无疑会引起大振动。每当一个质子飞到一个角落,它都会释放出快速的光脉冲,这些光被周围的物质吸收并唤醒沉睡的分子。

与此同时,镀铜粒子束管道中的电子在金属中流动,以追上带正电的质子束,这就会产生电流。有些电子甚至会脱离原子的束缚,跃迁到真空中,导致碰撞并释放更多的电子。所有这些都会产生越来越多的热量,也将威胁到保持磁铁超导的敏感条件。

粒子碰撞

如果磁铁的温度超过2.17开氏度(-270.98摄氏度),它们就会失去超导性。发生这种情况时,原本只是一点点的内部加热很快就会升级为大量的热量。

为了保持这些磁体冷却,工程师们设计了一个复杂的低温系统,它利用了一个非常简单的原理:当液体蒸发为气体时,它会吸收热量。这就是为什么我们在淋浴后感到寒冷,这并不是因为水是凉的,而是当水滴从我们皮肤上蒸发掉时带走了我们的热量。

一根细长的管子穿过磁体支撑结构,输送了一股加压的超冷液氦。当液氦吸收多余的热量时,它就会蒸发,很快就被泵出。另一根冷却管穿过粒子束管道内部,在源头吸收能量。

尽管做了这么多努力,但大型强子对撞机的磁体有时会升温到足以失去超导性,也称为“超导磁体失超”事件。通常只有一个集中的点升温,而且发生得非常快。

传感器检测电压的变化并触发一个系统,该系统可以使热量分散到整个磁体中,并将电流从磁体中转移开。同时,LHC粒子束会被自动送到一个叫做粒子束捕集器的混凝土块中,整个加速器将会暂停几个小时,期间磁体则会恢复到它的超冷状态。这种情况每两年才会发生一次,工程师会不惜一切代价保护磁体。

来源:百家号                                                   时间:18-03-28

世界上最大的粒子加速器大型强子对撞机(LHC)最新发现了至少两种此前未知的粒子。据运行大型强子对撞机的欧洲核子研究组织(CERN)发表的一份声明:位于日内瓦附近17英里(27公里)的地下环路最近发现了两个重子和另一个粒子的线索。重子是由三个夸克组成的基本亚原子粒子。夸克反过来,是更小的粒子,夸克有种:上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克、底夸克(如果加上夸克的反夸克那就有12种)每种重子都有不同的夸克组合。例如质子是重子,由两个上夸克和一个下夸克组成。

博科园-科学科普:这两个新发现的粒子被归类为底重子。第一个名为Σb(6 0 97)+,由一个底夸克和两个上夸克组成,第二个名为Σb(6 0 97),由一个底夸克和两个下夸克组成。LHCb (b代表美丽)实验通过将质子碰撞在一起并观察某些粒子衰变事件的背景速率发现了这些粒子。根据声明,该实验寻找的是高于这个速率的“凸起”或“尖峰”,这可能表明先前未知粒子的信号。在伊利诺斯州费米实验室进行的先前实验中也发现了类似粒子,但是这些粒子的不同之处在于它们的质量比新发现的同类粒子要小。

图片:Shutterstock

根据这份声明,在欧洲核子研究中心发现的底重子质量大约是质子的6倍。“6097”数字是指它们的质量,单位是百万电子伏或兆电子伏。(质子的质量约为938mev)。至于第三种可能粒子,研究人员只发现了它存在的迹象。这个粒子叫做zsub - c-(4100),它可能是一种奇怪的介子,一种不稳定的粒子,在高能碰撞中短暂存在,它由两个夸克和两个反夸克组成。欧洲核子研究中心的碰撞显示了一些证据表明这种难以捉摸的介子确实存在,但是这些证据低于物理学家用来宣称“发现”一种新粒子的统计阈值。

博科园-科学科普|文:Yasemin Saplakoglu/Live Science

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来源:百家号                                                   时间:18-10-02

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