大型强子对撞机解析
2024年5月26日第3季第5集
Equedia Investment Letter
它规模庞大。
它长27公里，位于地下100米处。
来自100多个国家的数千人耗时30年才建成。
它耗资超过50亿美元。
它是人类建造过的最大科学仪器。
据说它能打开通往其他维度的传送门，甚至能制造黑洞。
而且它已经启动了。
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它规模庞大。
它长27公里，位于地下100米处。
来自100多个国家的数千人耗时30年才建成。
它耗资超过50亿美元。
它是人类建造过的最大科学仪器。
据说它能打开通往其他维度的传送门，甚至能制造黑洞。
而且它已经启动了。
那么它到底是什么？
它被称为大型强子对撞机（LHC）。
它由欧洲核子研究组织（CERN）建造，是世界上最大的运行真空系统，也是最大、最强大的粒子加速器——一个由特殊管道组成的圆形长管，其内部像星际空间一样空旷，比太空本身还要冷。
事实上，这些管道内的温度达到了惊人的-271.3°C——仅比所有分子运动停止的温度（绝对零度）高几度。
然而，它却能产生高达5万亿摄氏度的惊人温度——比超新星爆炸还要热，比太阳中心热36.6万倍。
难怪有人相信它能制造黑洞并毁灭世界。
但它到底是什么？
它是一个巨大的粒子加速器。
别担心；粒子加速器自20世纪30年代以来就已存在。
它们用于产生高能粒子，以探索构成原子中心的部分，即原子核的结构。
这些加速器可以是环形的，粒子在其中绕圈飞行；也可以是直线形的，粒子从一端飞到另一端。
它们通过使用电场将粒子推向一个方向，从而产生更多能量并使其移动更快。
理论上，加速器（如粒子加速器）的长度与其能产生的粒子的能量和速度直接相关。
更长的加速器允许更多的加速，这意味着粒子可以达到更高的速度。这是因为粒子在通过加速器长度时会多次加速，每次通过都会获得更高的速度。
大型强子对撞机长27公里，将质子加速到接近光速，然后使其相互碰撞。
但为什么？
质子是当今我们所知的最小粒子之一——仅次于夸克和轻子（稍后会详细介绍）。
为了让您有个概念，质子比它所在的原子小约10万倍。
想象一下，一粒沙子通常大小在0.5到2毫米之间。现在，考虑一个质子比这粒沙子小约10万倍。如果一粒沙子有地球那么大，那么在这个比例下，一个质子大约只有一颗小弹珠那么大。
这甚至还不是最疯狂的部分。
在大型强子对撞机内部，两束携带质子的高能粒子束以接近光速的速度飞行，然后被引导碰撞。这些粒子束在宽度仅相当于人类头发丝的空间内，沿着独立的束流管道以相反方向运行。
那根头发丝可能看起来很小，但质子与头发丝宽度的比例，就像一粒盐与整个地球的比例！
将以接近光速飞行的质子撞击在一起极其困难——就像从10公里外发射两根针，并以极高的精度让它们在半路相遇并互相劈开一样。
那么他们是如何做到的呢？
为了确保质子保持在轨道上，一个27公里长的超导磁体环维持着磁场，帮助引导和聚焦这些粒子。
这些电磁体由特殊电缆线圈制成，在超导状态下运行，高效导电，无电阻或能量损失。这需要将磁体冷却到-271.3°C——一个比外太空还要冷的温度。
就在碰撞之前，另一种磁体被用来“挤压”粒子使其更靠近，从而增加碰撞的机会。
整个过程需要巨大的能量，所以一切都必须完美无缺，就像火箭发射一样。
事实上，大型强子对撞机在运行时大约消耗120兆瓦的电力——这足以为一个小城市供电！
当然，如果认为他们只发射几个质子就能完成这一切，那就太傻了。
为什么要冒险只发射一根针去击中10公里外的另一根针呢？这些针相互击中的几率会非常小。
确实如此。
那么他们是如何做到的呢？
嗯，正如您可能猜到的，他们一次发射的质子不止一个——实际上是数十亿个。
平均而言，每束粒子束包含1000亿个质子，以相反方向发射——这意味着1000亿个质子对撞1000亿个质子！
但并非所有这些质子都是一次性发射的。
他们将这些质子分成束，每束约2808个，每束包含数十亿质子。
每束有2808个束团，任何时候大约有208,320个束团在对撞机中循环。
您猜猜每次交叉有多少个实际发生碰撞？
只有50-60个质子。
这就是为什么他们一遍又一遍地重复这个过程——每秒高达3000万次！
拥有近3000个束团，每个束团包含超过1000亿个质子，大型强子对撞机每秒产生10亿次碰撞！
但为什么？
是为了打开另一个维度？是为了制造黑洞？是为了招来邪灵？
也许吧……
但从技术和科学角度来看，这并非其设计目的。
它旨在研究宇宙的起源——理解宇宙大爆炸发生之初可能发生的事情。
最小的粒子是如何产生如此巨大的能量来创造我们今天所知的宇宙的？
担心CERN？
我知道您在想什么：如果我们成功复制了宇宙历史上最大的爆炸——大爆炸，那会不会把我们都消灭掉？
嗯，暂时还不用担心。
尽管大型强子对撞机旨在模拟最接近大爆炸的时刻，但当两个质子在其中碰撞时，释放的能量仅为十亿分之一焦耳的量级。
这类似于一只飞蚊的动能。
相比之下，一道闪电释放约50亿焦耳的能量，大约是大型强子对撞机中单次质子-质子碰撞能量的100万倍。
然而，科学家们发现，当质子以极快的速度碰撞时，它们会释放出如此巨大的能量，以至于这些能量可以转化为物理质量。
如果能量足够高，它就可以转化为神秘或未知的粒子——这正是科学家们正在寻找的。
您看，数学是一个非常有趣的东西，它可以预测并解决许多未解之谜。
例如，阿尔伯特·爱因斯坦的相对论，即著名的E=mc2，直到首次发表几十年后才被证实。
1869年，俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫创建了一个框架，该框架演变为现代元素周期表。但当他绘制时，他为已知存在但尚未被识别的元素留下了占位符。他甚至预测了某些未发现元素的特征，并给它们起了临时名称，例如将一种类似铝的元素命名为“类铝”。几年后，“类铝”被确认为镓。尽管存在一些不一致之处，他的“缺失元素”理论被证明相当准确。
那么，就像我们用数学发现了元素周期表上的元素一样，是否还有我们尚未发现的粒子，能够改变我们对宇宙的看法？
答案是肯定的。
标准模型
想象一下，将某个东西反复分割，直到得到一个无法再分割的最小单元。
这些被称为基本粒子——宇宙中物质和能量最基本的组成部分。
您听说过电子和光子——它们就是基本粒子。
正如化学家依赖元素周期表一样，物理学家则依赖标准模型来描述这些基本粒子——这是粒子物理学中的一个理论，描述了构成宇宙的基本粒子和力。
费米子是构成物质的粒子。它们包括夸克（构成质子和中子）和轻子（如电子），是当今我们所知的最小粒子。
事实上，夸克和轻子小到没有任何证据表明它们具有任何大小。很奇怪，对吧？
然而，费米实验室的Tevatron以及CERN的LEP和LHC对撞机的物理学家们已经对夸克和轻子的大小设定了限制：它们必须小于质子大小的约0.001倍。
另一方面，玻色子是介导费米子之间力的粒子。简单来说，它们是宇宙中力和能量的载体。
然而，在2012年之前，标准模型预测应该存在另一种粒子——一种可能在宇宙初期就已存在但尚未被发现的粒子。
他们将这种神秘粒子称为“上帝粒子”，也就是希格斯玻色子。
希格斯玻色子的存在对于解释粒子如何获得质量至关重要——如果没有它的证实，标准模型将是不完整的。
以下是诺贝尔奖得主彼得·希格斯描述它是什么。
https://x.com/NobelPrize/status/1779190652175011900
简单来说，这个“上帝粒子”是我们所感知的一切存在的理由。
为了证实希格斯玻色子的存在，物理学家需要在一个地方集中足够的能量来创造它——例如以接近光速的速度将两个质子撞击在一起。
这是大型强子对撞机创建的主要原因之一——至少，这是他们公开声明的原因。
2012年，在大型强子对撞机中反复撞击质子后，希格斯玻色子被发现。
但如何发现的？
这就是数学发挥关键作用的地方——也是为什么需要数千名科学家来证实这一点的原因。
您看，当质子被撞击在一起，产生特殊的神秘“上帝粒子”时，它们只短暂存在，然后又变回普通粒子。
这就是为什么大型强子对撞机拥有有史以来为粒子物理研究建造的最先进的传感器和探测器。
当这些粒子爆炸并向传感器飞出时，传感器会精确记录这些粒子的撞击位置。
物理学家们通过逆向工作，运用最复杂的物理学原理，逆向推导出碰撞瞬间发生的情况，以证实这种神秘粒子，最终成功探测到一个微小的“闪烁”。
它看起来像这样：
没错，就是它。这个闪烁证实了希格斯玻色子的存在。
数十亿美元、100个国家和数千名科学家共同努力，最终在图表中创造了这个闪烁。
如果您真的认为自己能理解高级物理学，请随意了解更多关于这个“闪烁”的信息。
这闪烁是啥？！
当然，科学家们不会仅仅为了在图表中制造一个闪烁而花费如此多的时间和金钱。
当然，他们至少在尝试打开传送门或召唤恶魔。
嗯，尽管这项发现对现实生活来说相当平淡无奇，但CERN工作的副产品实际上已经产生了大量的实际应用。
其中包括癌症治疗、电动汽车、医学成像，甚至万维网。
或许，最终，利用大型强子对撞机所做的发现能够推动我们的世界进入一个新的发现领域。或许它能帮助我们更好地理解暗物质，甚至反重力和零点能。
尽管有人对大型强子对撞机能教给我们什么持怀疑态度，但这并未阻止科学家们推进其研究。
事实上，科学家们已经在欧洲着手开发一个更大的对撞机——一个长达100公里，被戏称为“未来环形对撞机”的设备。
猜猜还有谁正在寻求建造自己的100公里对撞机？
没错，就是中国。
“一位主要科学家表示，世界上最大的粒子对撞机可能在三年内在中国开工建设，尽管它仍需获得政府批准和资金。
据中国科学院高能物理研究所所长王贻芳介绍，耗资360亿元人民币（50亿美元）的环形正负电子对撞机（CEPC），又称希格斯工厂，将耗时约10年建成，并成为下一个全球粒子物理中心。
通过在一个100公里（62英里）长的地下隧道中将电子及其反粒子——正电子——加速到极高能量并使其相互撞击，CEPC将产生数百万个希格斯玻色子，并使科学家能够超越标准模型——我们现有描述宇宙基本构成块的最佳理论——做出新的发现。”
因此，当Elon Musk和Jeff Bezos等亿万富翁将物体送入太空时，世界各地的科学家们正在寻求创造构成太空的物质。
当我们使用比以往任何时候都更高的能量撞击粒子时，会发生什么？
一个100公里长的对撞机可能达到100太电子伏特的碰撞能量，大约是大型强子对撞机（LHC）碰撞能量的六倍，并与超新星遗迹、脉冲星和宇宙射线产生的碰撞能量相当。
问题是，这会带来改变吗？
您认为会发生什么？我们会制造黑洞吗？打开另一个维度吗？创造暗物质并利用无限能量吗？
在这份投资通讯中解释大型强子对撞机的原因是为了向您展示，未来将有大量新技术出现，这些技术将改变我们对世界的理解。
这不仅包括人工智能带来的新发现，还包括利用工具进行发现，这些工具能让我们看到极其微小的东西，甚至可以通过一次呼吸检测疾病。
祝您狩猎愉快。
寻求真相，做好准备，
Carlisle Kane
