大型强子对撞机(LHC)的束流管需要极其干净,哪怕其中的空气分子也算是“污垢”。大型强子对撞机(LHC)是世界上威力最强的粒子加速器。在它内部,粒子束朝着两个相反的方向,飞驰在周长约27公里的圆形真空束流管(beam pipe)内,束流管在周围装备大型粒子探测器的碰撞点处交汇。束流管内部需要保持一尘不染,所以每年LHC在启动夏季运行项目前,都要进行一番彻底的大清洗。
阻碍LHC运作的不是灰尘或者污垢,而是其中微小的空气分子。LHC加速器物理学家Giovanni Rumolo说:“LHC的温度低到令人难以置信的程度,且处在超强真空中,但这也不是一个完美的真空状态。其中存在一小部分简单的大气气体分子,它们甚至要比束流管壁更冰冷。”在LHC内疾驰的质子一旦撞上这些漂浮的空气分子,则会激发它们的电子。
被释放的自由电子很快又撞上束流管壁,积聚热能,使束流管壁上冰冷的气体分子释放出更多的电子。这个过程很快发展出雪崩式后果:真空强度削弱,低温系统升温,质子束受到干扰,最终大幅降低LHC的效率和可靠性。但是,Rumolo讲到,束流管内嘈杂的电子云拥有一个有趣的自愈特性。“当束流管壁遭受电子密集轰炸的时候,产生次级电子的可能性下降,雪崩情况逐渐缓和下来。
在将LHC提升到最大功率运转之前,我们会让这个大机器带着尽可能多的低能量质子安全运作几天,刻意制造出电子云。最终的效果是在LHC正式运行期间,游离电子的数量变少了。”Rumolo解释说。换言之,加速器工程师清洁LHC内部的方式有点类似疏通淋浴地漏。他们逐渐往LHC内泵送入越来越多的低能量质子,这些质子像硬毛刷一样,刷去束流管内黏附的微小尘垢。然后真空系统将散落的碎片抽出管道。
另外,电子的“狂轰滥炸”会将仍旧依附在束流管内壁上的简单碳分子转变成惰性石墨保护层。清洁束流管的工作至关重要,因此有一支专家小队专门负责这项任务,官方名称为“洗刷刷小队(Scrubbing Team)”。Rumolo总结道:“如果我们想要发挥LHC的最大潜力,洗涤工作非常重要。这项任务也很具挑战,因为彻底清洁机器和意外截断质子束流之间有一条非常细微的界限。
当我们在清洁的时候,我们配合CERN控制中心24小时不间断工作,确保加速器安全,同时保证洗涤工作正常进行。”