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科学松鼠会 ? 大型强子对撞机年表:1994

2013-09-29

译自LHC Milestones, CERN

译序:大型强子对撞机(LHC)是西欧核子中心(CERN)迄今建造过的加速器中最大的一台。它周长27公里,可以把质子束加速到14 TeV的能量上,这一数字14倍于蚊虫在飞行中的动能。建造LHC的目的是探测更深层的微观世界,为理论提供检验,也可以研究早期宇宙的粒子物理现象。值得一提的是,为解决海量数据处理的难题,LHC采用了分布式运算,还推出了面向公众的LHC@Home项目。

现今LHC的建设已经完成,并于2008年9月10日启用。如CERN的宣传语所说,bigger is better when you are searching for smaller,单单凭借LHC的规模,就足以让无数粒子物理学家对其拭目以待。

本年表译自CERN官方网站,初稿译成于2007年8月,由于LHC最近已开始运转,故最近又将2007年底至2008年的内容补充。原文是按年度分页面介绍的,译稿将其合并,图片一律引用原文。


1994年大工程的第一步

大型强子对撞机(LHC)的概念是在1980年代初提出的。虽然CERN的大型正负电子对撞机(LEP,于1989年到2000年间运转)在当时还没有建造,科学家已经在进一步展望粒子物理学的未来了。他们的设想是重复利用LEP那27公里长的环路来建造更强大的设备。

为尽可能提高对撞能量和强度,新设备试图使用两束质子。计划被命名为大型强子对撞机(LHC),“强子”指物质粒子,例如质子。

1984年在瑞士洛桑召开的研讨会成了LHC工作的正式开始。为讨论LEP隧道中修建的质子对撞机可能进行的物理学研究,数个工作小组设立了。随后,LHC成了CERN的优先工作。

在接下来的几年间,围绕这些意见组织了数次会议以及数个工作小组。1989年,最早的初期合作开始了。1992年春在法国伊云召开的会议确定了“合作意向”,标志着LHC实验的开始。

同时开始的一个计划旨在建造更精密的模型和原型机,以研究如此复杂的超导加速器(工作温度为零下271摄氏度)的可行性。

这些会议和研究的最终结果是,1994年12月,CERN委员会首度批准了该计划。

 

1995年

6月:日本成为CERN观察员国,宣布为LHC提供财政经费。

日本文部省大臣向CERN总负责人赠送了一个达摩娃娃。根据日本的传统,绘上娃娃的第一只眼睛标志着LHC计划的开始,而另一只眼睛要在完工时分画上去。
1996年和1998年,日本提供了另两次大规模的财政支持。

10月:LHC的技术设计报告发表。文件中详细描述了未来加速器的操作和建筑情况。

 

1996年

2月:首项技术提议提出后的4年,CMS与ATLAS实验设施正式批准。
两项实验都以发现希格斯玻色子为目标,该粒子可以用于回答粒子如何获得质量的问题,并可以探测宇宙中神秘的亏缺质量和暗能量。

3月:印度为LHC的建造提供了财政支持。
6月,俄罗斯宣布为该计划提供财政支持。

12月:加拿大宣布为LHC提供财政支持,美国的参与合作协议确定。
由于非CERN成员国的贡献,委员会决定,一次性建成LHC。

 

1997年

2月:LHC主双极磁体模型被放入未来加速器的隧道中,模型长15米。

2月:ALICE实验设施正式批准。ALICE是重复利用LEP的L3磁体实验设备,旨在研究夸克—胶子浆,这样的物态存在于宇宙最初的时刻。

12月:美国签署协议,参与LHC计划,特别是为加速器提供超导磁体。
现今约有750名美国物理学家是CERN的用户。

12月:第一块15米长的双极磁体原型从意大利研究所INFN运送到CERN,磁体是组成LHC的核心元件。
LHC要装备超过1230块这样的磁体。

 

1998年

4月:ATLAS实验设施的土木工程建设开始。
工程包括:挖掘两个轴承,刨出两个洞窟(其一是世界上在摩砾层岩石中挖出的最大洞窟),以及建造地面建筑。

6月:第一块理论长度15米的原型磁体顺利测试,磁场强度达到了8.3特斯拉,也就是LHC的工作场强。

8月:法国政府颁布了LHC公众效用的政令,最终为土木工程建设的启动开了绿灯。最终的批准是环境影响研究和公众信息游说的结果。
该年年初,瑞士州立当局已批准了瑞士领土内的工程。

8月:CMS实验设施的土木工程建设开始。
两把宽矛从60多米深的地下挖掘出土,同时开挖掘出了两座大型地下厅堂。建设工作开始前,考古发掘让高卢—罗马遗迹重见天日。

9月:LHCb是为LHC批准的第四项实验设施。该实验将研究CP破缺现象,这可以解释为什么宇宙中的物质对反物质占据绝对性的优势。

12月:在经过4年的运行之后,LHC的第一个测试环停止工作。
它是由原型设备组成的,可以检测并验证LHC的多种元件和系统。

 

1999年

2月:ATLAS环状磁体系统的工业生产始于超导导线的生产。这是世界上最大的环状磁体系统。

4月:传输线路的第一块磁体从俄罗斯运到。传输线路由540块磁体组成,作用是将粒子束从超级质子同步加速器(SPS)传送到LHC。

6月:隧道挖掘机运抵CERN,其作用是挖掘一条连接SPS和LHC加速器的传输隧道。

6月:保加利亚成为CERN的第20个成员国。

8月:LHC的探测器元件陆续抵达。
ATLAS的第一个μ子室从希腊运到,而CMS的前置热量计(Forward Calorimeter)模块从俄罗斯运到。

11月:CERN与俄罗斯莫斯科的国际科学技术中心签署了合作协议,以将军事研究转化为和平用途。LHC的相当一部分设备和实验仪器都是在此协议的框架下制造的,其中包括CMS的钨酸铅晶体。

 

2000年

2月:LHC的第一个元件越过大西洋,运抵CERN。它是由美国特别提供资金支持的。

3月:LHC的第一段短直管路(Short Straight-Sections)通过了满负荷测试。420段短型直管路中装有四极磁体,可以聚焦粒子束。

11月:世界上最大的粒子加速器——LEP停止运转。为了给LHC腾出周长27公里的隧道空间,它必须被拆除。

11月:LHC的1232块主双极磁体中的第一块运抵CERN。

11月:CMS的第一个磁体箍环建成,直径15米。
CMS的组成部分是一个大型螺线管,外套以铁质箍环,所有探测器都装在其内。

12月:CERN大型加速器LEP的拆除工作开始。需要运走的东西重4万吨。

 

2001年

1月:欧洲数据网格计划(EDG)问世,此时距离概念在美国安那波利斯提出已有2年。
计划为未来的计算机网格测试了网络基础结构。为服务象LHC这样的科学计划,网格必须要连接世界各地数以万计的计算机。

2月:为LHC主磁体准备的1200万个铁轭开始生产。铁轭可以保证磁体的机械刚性。

3月:ATLAS电磁热量计套筒的第一个模块完成。这一子探测器由32个模块组成,由铜导线和铅吸收层交替排列。

5月:TI 2隧道挖掘完毕,这是用来从SPS向LHC传输粒子束的两条隧道之一。

6月:ALICE就位!合作者开始为这一探测器的到达准备洞窟。

6月:LHC传输线路的540块磁体的最后一块运抵CERN。LHC传输线路会将粒子束从SPS加速器传输到LHC。

8月:为LHC特别修建的4个大型洞窟完成一个。这一洞窟长62米,宽20米,功能是ATLAS的维护厅。

9月:ATLAS的中央螺线管磁体从日本运到。它的重量是5.5吨,可以提供的磁场强度为2特斯拉,用于测量内探测器中的带电粒子动量。

9月:CERN委员会批准了LHC计算机网格计划的第一阶段。

10月:超导磁体的第2测试线路达到了理论值11850安培。2号线路如其名,是一并测试所有磁体系统的。

10月:SPS的第二条也是最后一条传输隧道与LHC隧道接通。在进入LHC彼此对撞前,粒子束会在SPS加速器中绕行。

11月:在LEP空荡荡的隧道里,勘测人员开始了为期两年的工作,以确定LHC所有组件的位置。
在长27公里的隧道中,需要做7000个标记。

12月:CERN将主双极磁体的大规模生产工作承包给工业界,后者将生产1250块磁体,其中包括备用件。这是技术转移的范例,CERN向工业界提供生产磁体所需的设备和培训。

 

2002年

2月:首块八极修正磁体运抵CERN。除1232块用于使质子运动轨迹弯曲的双极磁体和400块聚焦用的四极磁体外,LHC还要安装约5000块修正磁体。

2月:LEP的最后一部分运上了地表。在为期14个月的拆除过程中,有4000吨物品从27公里长的隧道中拆下。

3月:ALICE时间投影室的4个圆柱体结构运抵第1个,这是该探测器的核心元件。

3月:ATLAS螺线管磁体系统的一系列特殊货物运输开始。巨大的包装和线圈来自德国、荷兰、意大利和西班牙。

6月:ATLAS的洞窟挖掘完成。两年的施工挖出了世界上最大的实验用洞窟,宽35米,长55米,高40米!

8月:ALICE质子谱仪的首批500枚晶体从俄罗斯北部运抵CERN。

8月:CERN颁发了首届“金强子”奖,授奖对象是LHC的最佳供应商。

10月:CMS磁体巨大的红色箍环完工。它是由7000吨钢铁制成的!

 

2003年

1月:LHCb实验的组装工作开始,两块实验用线圈磁体放入地下的实验区域。

1月:美国制造的第一块LHC磁体运至CERN。在其对LHC特别赞助的框架下,美国须提供约20块特制的超导磁体。

2月:360块主四极磁体的大规模生产开始。

2月:传输线路开始安装。它由700块磁体组成,将把粒子束从现有的加速器链传诵到LHC。

2月:ATLAS电磁热量计完工,装入低温器中。

3月:整个LHC计划的最后一立方米土方挖掘完毕,标志着新加速器的挖掘工作完成。

5月:以几小时内每秒传输1.1G数据的速度打破了用磁带机备份数据的记录。

6月:创造了数据传输记录。在仅仅一小时的时间内,1T数据从CERN传输到了10000余公里外的加州,速度是每秒2.38G。这相当于一小时内,在地球赤道周长1/4的距离上传输了200部DVD影片。

6月:瑞士联邦总统为ATLAS的巨型洞窟举行了落成仪式。

10月:加速器的第一段短直管路组装完毕,并顺利通过了早期测试。管路内装主四极磁体和修正磁体。

10月:LHC庞大的32吨主磁体所需的800个支持系统从印度运抵。印度自2002年12月起成为CERN的观察员国,也是为LHC计划提供支持的非成员国之一。

11月:ATLAS踏足进入洞窟。探测器的安装始于18个巨足的安装,其中每个高5米。它们将支撑起重6000吨的探测器。

12月:154块主双极磁体运抵CERN,足以围成1/8的圆周了,这也是加速器的1/8。

12月:8台4.5开(零下268.6摄氏度)冷却装置的最后一台运抵,这是低温系统的核心部分。为了让超导磁体工作,LHC必须致冷到零下271摄氏度。

 

2004年

3月:ATLAS衬瓦强子热量计的中心筒下部放入了ATLAS的洞窟中。这是探测器工作部件中第一个放入地下的。

3月:LHC磁体所需的超导导线已生产了一半。

3月:LHCb磁体线圈完全装入实验洞窟中。
这是实验大厅中探测器第一个完工的部分。

4月:欧洲推出了EGEE(启动信息化科学网格,Enabling Grids for E-sciencE)计划。CERN是其合作者,资金由欧盟委员会提供,其主要目标是构建世界性科学计算网格的基础。

6月:LHC磁体测试设施完工。它装备有12个测试台,必须在工作温度(零下271摄氏度)上测试所有的超导磁体。

8月:ATLAS已完工的“切片”首次使用SPS的粒子束进行测试,它由每一种子探测器组成。

9月:9月29日,CERN庆祝了50年诞辰。2004年的标志就是实验室金色50年的庆典活动。

9月:预计为LHC提供粒子源的SPS加速器打破了强度记录:50万亿个质子在7公里长的环路内加速。

10月:从SPS到LHC的新传输线路成功通过了测试。一束粒子通过了连接两台加速器的2.5公里长传输线路,线路距离LHC隧道只有几米。

10月:ATLAS开始安装磁体系统。
第一批8台巨型环状磁体线圈被放入洞窟中,之后是筒状的液氩热量计和中央螺线管。

10月:首台LHC超导无线电频率腔模块全功率通过了最后的测试。模块内载有震荡的电场,可以让质子沿LHC环路加速。

11月:LHCb的磁体达到了理论场强。

 

2005年

1月:在2004年底完成组装后,ALICE的μ子谱仪的双极磁体在地下实验大厅中成功进行了测试。

2月:CMS洞窟竣工,标志着LHC的土木工程建设完成。这座长53米、宽27米、高24米的大厅埋在地下100米深的地方,建设花费了6年时间。

2月:ATLAS跃迁辐射筒式探测器(ATLAS Transition Radiation Barrel Detector)完工,将安装在实验设施的中心。

3月:巨大的CMS磁体线圈完工,长12.5米,直径6米,重230吨。

3月:1232块双极超导磁体中的第一块放入LHC隧道。它的最终就位标志着LHC组装工作的开始。

3月:半数即616块双极磁体运抵CERN。

3月:LHC计算机网格分布在31个国家的100个中心内,需要满足巨大的存储和数据处理需要。这是最大的国际科学计算网格。

4月:一台低温单元首次被冷却到1.8开(零下271摄氏度)。这是LHC的工作温度。

4月:计算机网格的新里程碑:10天内,8个数据处理中心进行了持续的数据传输,数据流速度每秒600兆字节。传输的数据总计500 T字节,如果用每秒512千比特的网络速度传输,需要花费250年。

4月:ALICE合作组挪开了实验设施轭环顶上的μ子谱仪双极磁体。这一工作需要把900吨设备从18米高的地方移走。

5月:加速器的两块磁体首度互相连接。为完成LHC的1700处连接,需要进行12300次操作。

7月:LHCb的电磁强子热量计就位,它由两面相对的墙体组成,每面高6米,长7米。

8月:LHC的磁体已运抵1000块,其中包括800块双极磁体和200个短直管路。

8月:ATLAS环状磁体8个25米螺线管的最后一个安装完毕,标志着庞大的探测器磁筒组装完成。

8月:ATLAS筒形衬瓦热量计使用宇宙线触发器在地下记录了第一个事件,这是探测器入役流程的组成部分。

9月:在令人难忘的满负荷操作后,重230吨的CMS螺线管磁体装入了低温室。

10月:LEIR的第一束信号!该环路是注入链的重要连接部分,将在2008年为LHC的实验提供铅离子。

11月:自8月组装完成以来,LHCb两台切伦科夫探测器中较大的一台运至并放入洞窟内。这一设备高约7米,长10米,宽2.5米,由28片薄型玻璃镜组成。

12月:LHC低温分配线路(Cryogenic Distribution Line)的一部分整体入役,长度3公里。

12月:CMS首次探测到“真实”粒子。业已完工的一间μ子室探测到了宇宙线。

 

2006年

2月:新的CERN控制中心投入使用,这里合并了所有加速器、低温装置和技术性基础设施的控制室。LHC将从这里控制。

2月:通过漫长而谨慎的工作,ATLAS内探测器筒的三个组件之二(半导体追踪器和跃迁辐射追踪器)组合到了一起。

2月:LHC小组成员庆贺加速器1232块双极磁体中第1000块的到来。

3月:巨大的CMS螺线管磁体冷却到了工作温度,也就是零下269摄氏度。

3月:CMS追踪器装入实验设施的μ子室,首次记录了宇宙线事件。

6月:ALICE在宇宙芭蕾舞剧中登场,它的主粒子追踪系统(也是世界上最大的时间投影室)首度探测到了来自太空的粒子。

6月:LHC定于2007年底启用,开始两个月在0.9 TeV的能量上测试加速器和探测器,为2008年春季开始的14 TeV全功率运转做准备。

7月:CMS开始了宇宙线挑战,这将测试一部分探测器,其中要使用所有子探测器,并开启磁体。

8月:LHC的第6项实验设备正式批准。LHCf(大型强子对撞机前进)将用于研究加速器对撞过程中产生的“前行粒子”。实验结果可以报告给宇宙线研究。

9月:第1000块超导“低温磁体”装入LHC隧道。为建成加速器,总共需要安装1746块各式低温磁体,其中1232块是蓝色的双极磁体。

9月:CMS设备的螺线管磁体达到了4特斯拉的最大磁场强度。这是世界上最大的超导螺线管磁体,是用直径约6米、长13米的超导螺线管线圈制成的。其储存的25亿焦耳能量足以熔化18吨金。

10月:世界上最大的制冷设备完工。27公里长的低温分配线路位于LHC隧道内,可以让氦在液态和气态之间循环,为加速器的超导磁体提供低温工作环境。

11月:CMS实验装置的前3组探测器放入实验洞窟中。一共有15组探测器,每组需要花费10小时才能放到地下100米深处。

11月:ATLAS设施的筒状螺线管磁体通上了最大电流。这是迄今最大的超导磁体。磁场强度达到了4特斯拉的理论值,电流强度21000安培。

11月:LHC的磁体生产完成。1624块主超导磁体中的最后一批运抵CERN,磁体包括1232块长15米的双极磁体,其作用是粒子束导向;另有聚焦粒子束用的392块四极磁体,长5至7米不等。

 

2007年

2月:ALICE的时间投影室运至实验洞窟。
支撑结构与轴杆之间的空隙只有10厘米!

2月:CMS探测器最大的一个部分被引人注目地放入了实验洞窟中,其质量相当于5架大型喷气式飞机(19200吨)。
这标志着该实验探测器安放工作已进行了一半。

3月:62960块晶体中的最后一块被发送,它们将用于CMS的电磁热量计筒。这些由俄罗斯和中国生产的钨酸铅晶体比铁还要重,但却象玻璃一般透明。

4月:加速器的第8段冷却到2开尔文(零下271摄氏度)以下,这比外太空的温度还要低。长3.3公里的“7-8段”成为世界上最大的超流氦制冷超导装置。

5月:最后一块超导磁体被放入地下。
在两年的时间里,LHC隧道内安装了1746个磁体系统。

6月:ATLAS的史诗之旅结束,引人入胜的最后旅程是放下两块端盖环型磁体。每块端盖直径13米,重240吨。

6月:LHC长度3.3公里的完整一段被冷却到零下271摄氏度,首次通电。
数千安培的电流在隧道中的超导磁体内环流。相关小组的成员在用香槟酒庆祝。

7月:CMS安装了电磁热量计筒36个超级模块中的最后一个。
实验仪器的子探测器包括60000余个透明如玻璃却重于铁的钨酸铅晶体。

7月:接入LHC的生物统计控制系统建成。虹膜识别装置将确保加速器及特定走廊的安全性。

10月:ATLAS庆祝了最后一个“巨轮”的安装,这是它的端盖。
ATLAS μ子谱仪的端盖由8个“巨轮”组成,每个直径25米,重量在40至50吨之间。

10月:在CMS洞窟中举行了美国费米实验室LHC与CMS遥控中心的在线落成仪式。

10月:LHCb最易毁损的探测器——VELO追踪器成功地安置在了实验设施的中心。

11月:LHC各段之间的连接工程完工。

11月:来自SPS的铅离子束首次在靠近LHC的传输线路中得到。

12月:世界上最大的硅追踪器——CMS追踪器安装到了实验设备的中心部位。

12月:安装电磁热量计的支持结构与小型空间框架。ALICE的重型基础结构就位。

 

2008年

1月:CMS的最后15片放入洞窟,为在100米深的地下洞窟中为期15个月的安装工程画上了句号。

2月:ATLAS探测器安装的最后一个实验装置放入洞窟中。这一直径9.3米、重100吨的小轮让实验设备的μ子探测器完工。

3月:来自俄罗斯与中国的最后一批晶体运抵,它们将被用于CMS的电磁热量计。此时距离1998年第一批晶体运至CERN已有10年。这些晶体的用途是完成CMS电磁热量计的端盖。

4月:4月5至6日的开放日吸引了76000名游客参观CERN。这是在加速器启动前,让公众参观隧道、发现LHC以及4项大型实验的一次机会,也是唯一的机会。

6月:CMS与ATLAS在中心区域安装了波束管,完成了LHC环路。

7月:进行对撞的波束管投入使用。在54公里长的波束管中,是类似月球仅存大气一般的真空。

8月:长度27公里的LHC达到了实验所需的零下271摄氏度。这只比可能的最低温度——绝对零度高上两度。运转需要10000余吨液氮进行第一步冷却,然后还需要150吨液氦完全填充磁体。

8月:粒子首次在LHC中环行。两束由CERN加速器链加速的粒子在LHC中沿相反方向运行。其中的一束粒子如下图所示。

即将踏上征途。
LHC预计于2008年启用,它正在做最后的准备,着手开启高能前沿的发现新纪元。
LHC实验将致力于如下问题:物质是如何获得质量的,宇宙不可见的96%是由何物组成,为什么自然界中物质远超过反物质,以及自宇宙诞生之初以来,物质是如何演化的。

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