如何清潔大型強子對撞機內部？

大型強子對撞機（LHC）的束流管需要極其乾淨，哪怕其中的空氣分子也算是「污垢」。

圖片來源：Courtesy of Daniel Dominguez, CERN

作者 Sarah Charley

翻譯 阿金

審校 嚴冰冰

大型強子對撞機（LHC）是世界上威力最強的粒子加速器。在它內部，粒子束朝著兩個相反的方向，飛馳在周長約27公里的圓形真空束流管（beam pipe）內，束流管在周圍裝備大型粒子探測器的碰撞點處交匯。

束流管內部需要保持一塵不染，所以每年 LHC 在啟動夏季運行項目前，都要進行一番徹底的大清洗。

阻礙 LHC 運作的不是灰塵或者污垢，而是其中微小的空氣分子。

LHC 加速器物理學家 Giovanni Rumolo 說：「LHC 的溫度低到令人難以置信的程度，且處在超強真空中，但這也不是一個完美的真空狀態。其中存在一小部分簡單的大氣氣體分子，它們甚至要比束流管壁更冰冷。」

在 LHC 內疾馳的質子一旦撞上這些漂浮的空氣分子，則會激發它們的電子。被釋放的自由電子很快又撞上束流管壁，積聚熱能，使束流管壁上冰冷的氣體分子釋放出更多的電子。

這個過程很快發展出雪崩式後果：真空強度削弱，低溫系統升溫，質子束受到干擾，最終大幅降低 LHC 的效率和可靠性。

但是，Rumolo 講到，束流管內嘈雜的電子云擁有一個有趣的自愈特性。

「當束流管壁遭受電子密集轟炸的時候，產生次級電子的可能性下降，雪崩情況逐漸緩和下來。在將 LHC 提升到最大功率運轉之前，我們會讓這個大機器帶著儘可能多的低能量質子安全運作幾天，刻意製造出電子云。最終的效果是在 LHC 正式運行期間，遊離電子的數量變少了。」Rumolo 解釋說。

換言之，加速器工程師清潔 LHC 內部的方式有點類似疏通淋浴地漏。他們逐漸往 LHC 內泵送入越來越多的低能量質子，這些質子像硬毛刷一樣，刷去束流管內黏附的微小塵垢。然後真空系統將散落的碎片抽出管道。另外，電子的「狂轟濫炸」會將仍舊依附在束流管內壁上的簡單碳分子轉變成惰性石墨保護層。

清潔束流管的工作至關重要，因此有一支專家小隊專門負責這項任務，官方名稱為「洗刷刷小隊（Scrubbing Team）」。

Rumolo 總結道：「如果我們想要發揮 LHC 的最大潛力，洗滌工作非常重要。這項任務也很具挑戰，因為徹底清潔機器和意外截斷質子束流之間有一條非常細微的界限。當我們在清潔的時候，我們配合 CERN 控制中心 24 小時不間斷工作，確保加速器安全，同時保證洗滌工作正常進行。」

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