为什么大型强子对撞机是地球上最冷的地方之一?

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。

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。

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。