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「大強子對撞機」製造解密:大強子對撞計畫太新,很多需求技術超越時代,必須用摩爾定律去估算──《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》

龐大與精密兼備的大強子對撞機

3 萬 8000 噸的高科技機械,結合了巨大外型與極度精密的兩大特質,大強子對撞機位在一座長達 17 英里(27 公里)的隧道當中,該隧道當初是為了歐洲核子研究組織先前的大型電子正子對撞機(Large Electron–Positron Collider,簡稱 LEP)所建的。

大強子對撞機加速器由 1232 個偶極磁鐵和 392 個四極磁鐵、再加上一些功能更複雜的磁鐵組成,全部皆為超導體,並且在華氏 -456.3 度(攝氏 -271.3 度)的環境下工作,僅高於絕對零度(absolute zero)華氏 3.4 度(攝氏 1.7 度)(參見下方圖 1、圖 2)。

圖 1:顯示偶極磁鐵主要元件的示意圖。 圖/歐洲核子研究組織

超導體中電流的流動不會有任何電阻,某些材料──例如用於大強子對撞機磁鐵的鈮-鈦合金(niobium–titanium alloy)──當它們被冷卻到非常低的溫度時會變成超導,超導體因為電流更大,所以可以產生出比一般導體要強大得多的磁鐵。大強子對撞機超導磁鐵的電流為 1 萬 2000 安培,是常見家用電路的 1000 倍。傳統的磁鐵不可能強大到讓質子束轉彎、也無法將質子束維持在加速器的圓形軌道上,這部機器像目前這樣就已經夠大的了,它是一個 75 英里(120 公里)的環,想再更大也不會被允許。

我們可以用磁鐵來操控帶電的粒子束,就像我們可以用棱鏡和透鏡來偏離光束一樣。偶極(dipole)磁鐵用來使質子的軌跡轉彎,並使質子保持在圓形軌道中,四極(quadrupole)磁鐵則用於聚焦質子束,換句話說,四極磁鐵可以擠壓質子束。其他的多極磁鐵可以對質子軌跡作各項校正。要知道,質子每秒繞行 17 英里的大強子對撞機上達 11245 次;讓所有質子井然有序是絕對有必要的,才能讓他們保持在軌道上數小時。

圖 2:在地下 300 英尺(100 公尺)的隧道中安裝 1232 個大強子對撞機偶極鐵的其中一個。 圖/歐洲核子研究組織

磁鐵繞組(magnet winding)總共需要 4750 英里(7600 公里)的電纜,每根電纜包含 25 萬條導線束。導線束的總長度相當於從地球往返太陽 6 次,再加上 136 次往返月球和 24 次加拿大蒙特婁到法國巴黎航班的距離,剩下的距離還可以讓你走到轉角的店舖 1046 次。

在了解這一切後,這部機器耗時了 15 年建造一點也不令人訝異,尤其裡面一些所需的技術在計畫剛開始的時候並不存在,是在建造過程中才被開發出來。

打造大強子對撞機遠超越時代技術

舉例來說,整個大強子對撞機計畫(加速器和偵測器)所需的計算能力和儲存容量的可取得性與成本是用摩爾定律(Moore’s Law)以當時的技術估算出來的。摩爾定律指的是每一至兩年你可以用相同的價格買到兩倍性能的的電腦或兩倍的儲存容量。同樣地,當初設計觸發器(trigger)和資料收集系統(data acquisition system)的物理學家,在新科技出現以前便已寄望新一代更快速的電子模組能夠滿足他們的實驗需求。

1971-2011 電腦處理器中電晶體數目的指數增長曲線和摩爾定律。source:Wikimedia

就大強子對撞機本身而言,與其儀器設計相關的第一篇論文出現在 1980 年代中期。當時參與其中的科學家和工程師們估計,如果要達到原型的最佳性能,大強子對撞機所需的超導磁鐵(需數千個磁鐵)大概在十年內可以做到工業化量產,這個預言確實實現了![1]而連接超導電纜所需的技術也是如此。

所需技術的各個面向(例如感應焊接(inductive soldering)與超音波焊接)當時都已存在在其他領域,但只有歐洲核子研究組織的團隊與其他實驗室以及多個工業合作夥伴一同合作所開發的儀器才能夠滿足大強子對撞機計畫的規格和規模。這項技術開發的工作始於 1990 年代後期,2005 年其開發的結果已經可以用於大強子對撞機隧道上。同樣地,當時也有超導線的熔接機和切割機,但需要再修改才能符合大強子對撞機隧道的特殊規格。時至今日,大強子對撞機仍是目前規模最大、最冷的低溫設備裝置。

地底下、超真空:一個非常特別的「環」

如此圖的緊緻緲子螺管偵測器所示,加速器離子束管路通到四個大強子對撞機偵測器的心臟。 圖/歐洲核子研究組織

這個龐大的大強子對撞機圓環之所以會建於地底下 300 英尺(100 公尺)有兩個原因。第一,宇宙射線會干擾測量,所以把偵測器隔絕於宇宙射線的影響之外是絕對必要的;第二,保護人類和環境免受輻射影響也很重要。況且,考慮到當地房價,想蓋在地表上其花費也是無法想像的。

在大強子對撞機裡,兩束質子束在兩個獨立的真空管中循環,真空管內所有的空氣都被抽;如果沒有真空,質子將會與空氣分子碰撞,阻止其行進超過約 1/32 英寸(1 毫米)。強大的真空幫浦將壓力保持在 10-10 毫巴,即比大氣壓力低 1013 或十兆(10,000,000,000,000)倍。也就是說,在大強子對撞機管道中,每單位體積的空氣分子(例如每立方英寸或每立方厘米)比我們所吸入的空氣少了 1013 倍。

如果一個輪胎具有跟大強子對撞機的粒子束管一樣的密封程度,那會需要一百萬年才能放完氣。圖/Maaark@pixabay

粒子束管壁上塗了一層在歐洲核子研究組織發明的一種叫做「抓住」(getter)的特殊材料,這種材料一旦加熱後會吸收真空幫浦中沒抽乾淨的剩餘分子,它的作用就像黏蠅紙的黏膠條一樣。粒子束管路當然須經完美密封,如果一個輪胎具有跟大強子對撞機的粒子束管一樣的密封程度,那會需要一百萬年才能放完氣。

大強子對撞機很大,但同時也對最細微的擾動非常敏感。例如,我們知道月亮重力的拉力會產生潮汐,通常只能在大量的水體中觀察到這個現象(例如海洋),而無法在地殼中看到,因為地殼的流體性相對來說小很多。不過其實月球的吸引力也會使地殼每天經歷微小的形變兩次,只是這個形變幾乎無法被察覺。然而,由於大強子對撞機也會隨著地殼的形變而微幅移動,這個月球的作用力使得大強子對撞機的操作員必須不斷地修正質子軌跡,才能將質子保持在大強子對撞機粒子束管路內。我們甚至可以說大強子對撞機證實了月球的存在,儘管當初並不是為了這個目的而建造的。

注解:

  1. 舉例來說,在 1980 年代,超導磁鐵在 42.2度絕對溫度的環境下可以有每平方毫米 2000 安培的電流,並產生 5 特斯拉的磁場。大強子對撞機在相同條件下,可以有比這多 50% 的電流,即每平方毫米 3000 安培。

 

 

本文摘自泛科學2018年2月選書《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》,臉譜出版

 

 

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