大型强子对撞机其实很“冷”

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。

大型强子对撞机

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。

粒子碰撞

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。

大型强子对撞机

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。