科學的震撼,太陽系最大人造機器,高清揭秘歐洲大型強子對撞機

2020-12-03 雲中喬

本文高清配圖66張,歡迎科學迷收藏後慢慢品讀。

在地球這顆行星上,有一臺機器的體積大到一般人無法想像。它的長度達到了整整27公裡,跨越法國和瑞士的邊界。它曾創造出人類在銀河系探知到的最高溫度(10萬億度,但極其短暫)。它的使命之一,就是在地球上模擬迷你的「宇宙大爆炸」!在這裡,甚至還擁有治外法權。它就是大型強子對撞機(Large Hadron Collider,簡稱LHC)。而它的主人,就是歐洲核子研究組織(European Organization for Nuclear Research,簡稱CERN

之前大多數關於CERN的遊記,只是接觸了一些向公共遊客開放的空間。今天,就隨著筆者一起,深入這宇宙科學頂級殿堂的內部,探遊一番吧。這些設備如此龐大,而且絕大多數都位於深深的地表之下,所以每一張照片所涵蓋的,都只能是整體的一小部分

這裡看到的巨型線圈,叫做緊湊渺子線圈(Compact Muon Solenoid,簡稱CMS)。它是大型強子對撞機的粒子探測器部分,採用了巨型螺管式磁鐵,用來測量光子、電子、渺子等粒子的動能。CMS長21米,直徑16米,重達12500噸。如果對它的體積沒有概念,可以參考中央黃色平臺上站立的一位人類工程師。

大離子對撞實驗(A Large Ion Collider Experiment,簡稱:愛麗絲ALICE)所使用的時間投影室。ALICE實驗的目標,就是通過加速鉛離子對撞,模擬出宇宙大爆炸後的原始形態。比太陽高十萬倍的溫度,把質子和中子都熔化掉,就是ALICE的經典傑作。

這個金黃色的巨型「風扇」,叫做超導環場探測器(A Toroidal LHC Apparatus,簡稱ATLAS)。它和CMS一樣,也屬於大型強子對撞機的粒子探測器,區別是它的組成結構是8個25米長的超導磁鐵線圈。

大型強子對撞機的管道,一望無盡。粒子會以光速99.999999%的速度在此穿行

愛麗絲的一部分。

高級尾流場實驗(Advanced wakefield experiment,簡稱AWAKE)正在進行中。

這個奇幻的裝置屬於宇宙戶外水滴計劃(Cosmics Leaving Outdoor Droplets,簡稱CLOUD),它的目的是研究銀河宇宙射線對戶外氣溶膠和雲層的作用,以及對氣候產生的影響。

愛麗絲的一部分,越來越有科幻色彩了。會不會被它吸入另一個平行時空?

ATLAS的一部分,工程師正在仰望檢查。

這是什麼部件,筆者也不知道,反正覺得科技感十足。

愛麗絲的軌道內部結構。

質子同步加速器所使用的磁體。

愛麗絲的工作平臺之一。

仰望愛麗絲,實在是超複雜啊。

工程師們正在檢修強子對撞機的軌道。原來裡面並不是空管子,還有這麼多複雜的結構呢。

換一個角度看高級尾流場實驗(AWAKE)。

科學家正在觀測尾流場結果。看起來年紀好輕啊,在學校裡一定是超級學霸。

最後再看一眼AWAKE。離開後就再也沒機會了。

這裡是愛麗絲ALICE的中央鈹室。鈹是對X射線最透明的金屬,也是極佳的中子源和中子減速劑。鈹也是一級致癌物哦,聽著嚇人,不宜久留。

在線同位素分離器(Isotope mass Separator On-Line facility,簡稱ISOLDE),它的工作是分分秒秒對稍縱即逝的短命核素快速地分離和測量。

遠看宇宙戶外水滴計劃(CLOUD)。

愛麗絲ALICE的探測器內表面,金光燦燦。

看著這樣複雜的大型強子對撞機,要是哪裡出個小故障,找起來都累死人呢。

在走道上橫著一根管道,不小心碰一下就完了。工作人員趕忙貼上標籤「小心易碎」。

宇宙戶外水滴計劃(CLOUD)的另一面。

工程師正在使用升降機檢測超導環場探測器(ATLAS)。眼神有點警惕?

在LHC裡討論工作的科學家們。

換一個角度觀察緊湊渺子線圈(CMS),這個超導電纜線圈,能夠產生4特斯拉的磁場。地球磁場大約是50-60微特斯拉。兩者大約差距10萬倍。

這位工程師打著燈籠在找什麼呢?我不懂,也不敢問。

你看,還在找……

走近緊湊渺子線圈(CMS),大夥正在為它裝配組件。

超導環場探測器(ATLAS),圓環磁鐵系統是它顯著的特徵,這部分的重量是七千噸。

質子同步加速器的斷面。

質子同步加速器真空腔裡的垂直隔磁板

超導磁體試驗廳裡的液氦冷卻缸。液氮的沸點溫度是-196℃,而液氦的沸點低到-269℃!液氦是CERN廣泛使用的冷卻劑,尤其在創造超導領域所需要的超低溫環境時無法替代。歐洲核子研究組織的液氦用量佔據了全世界的十分之一!你知道嗎?液氦是透明的,表面張力極低,而且折射率和空氣幾乎相同。用通俗的話講,就算液氦在流動,用肉眼都未必能看到!

這兩位工程師負責大離子對撞實驗(ALICE)裝置的維護,看得出他們很自豪喲。

從側面看巨大的愛麗絲裝置。

一套雷射發射光學組件。

大型強子對撞前行粒子實驗裝置(Large Hadron Collider forward,簡稱LHCf)的二號探測臂。LHCf可以發射模擬的宇宙射線,並進而對其進行研究。

四號直線加速器(Linear accelerator 4,簡稱Linac4),為粒子加速提供前期的加速能量。

換個角度看Linac4,牆上貼滿了各種圖紙。

遠距離觀看愛麗絲,多圖拼接全景。有看到裡面的工作人員嗎?

放大一些,核心部位的科學家。

再放大一些。

愛麗絲的各類管線,密密麻麻。

愛麗絲的內部,這裡是一個強磁場。

這位老大調試的是重子反重子對稱性實驗裝置(Baryon Antibaryon Symmetry Experiment,簡稱BASE)。

工程師正在連接調試管線,安全帽可以保護他在進出時不至於被磕得頭破血流。

人們正在為緊湊渺子線圈CMS安裝氣體電子倍增器(Gas Electron Multiplier,簡稱CEM)

俯瞰巨大的緊湊渺子線圈CMS。

愛麗絲的四五度斜角俯視。

愛麗絲的局部。

NA64實驗裝置,本實驗中粒子撞擊的是固定目標。

K介子工廠(N62實驗),本裝置用來觀察稀有K介子的衰減。

OPAL(全稱Omni-Purpose Apparatus for LEP)大型電子正子加速器(Large electron-positron collider,簡稱LEP)的探測器。

超級質子同步加速器(簡稱SPS),用於重離子和中微子實驗(NA61和SHINE)。

又看到趴在地上找東西的人了。

強子對撞機發出的光束。

雙極磁體的管道

巨大的低溫雷射頭

最後看一眼愛麗絲。

在歐洲核子研究組織CERN,有來自80多個國家的近萬名頂尖科學家夜以繼日的工作。他們的使命,就是不斷地維護和升級這臺複雜的設備:大型強子對撞機。這臺人類在地球乃至太陽系建造的最為龐大的機器。

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