如何清洁大型强子对撞机内部？

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”。

图片来源：Courtesy of Daniel Dominguez, CERN

作者 Sarah Charley

翻译 阿金

审校 严冰冰

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。”

原文链接

https://www.symmetrymagazine.org/article/how-to-clean-inside-the-lhc

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