大型強子對撞機其實很“冷”

液氦在大型強子對撞機（LHC）內外部的複雜管道中不斷流動，由於這個低溫冷卻系統，LHC比星際空間更寒冷。那麼，爲什麼它需要保持在如此寒冷的溫度下呢？

歐洲原子核研究組織（CERN）的低溫冷凍團隊負責人Serge Claudet表示，如果不保持低溫，磁體就不會起作用。

纏繞的電纜使LHC強大的電磁體攜帶了11800安培電流，大致相當於小型閃電。對於一根手指寬度的電纜來說，要攜帶這麼多電流而不被燒燬，它就必須是超導體。超導體是一種具有零電阻的電流導體。每次你打開燈，你都能發現存在電阻。如果一個燈泡燈絲是由超導導線製成的，那它會既不產生熱量，也不發光，電流會直接穿過。

大多數工業超導體只有在絕對零度（-273.15攝氏度）以上幾度的低溫下，才能獲得超導的神奇特性。LHC放置在一個算是相當溫暖的隧道里，大約27攝氏度。爲了使超導磁體免受這種溫和氣候的影響，工程師們用絕緣層將其層層包裹起來，一層比一層涼，就像俄羅斯套娃，以此保護磁芯。

大型強子對撞機

最外部是一個真空室，就像一個熱水瓶膽。最內部磁體被浸沒在1.9開氏度（-271.25攝氏度）的超流體液氦形成的靜態室中，液態氦滲透到LHC磁線圈的每個角落。

如果工程師們只需要擔心保護LHC不受隧道的溫暖影響，那麼60釐米的液氦保護層就足夠了。但最大的問題卻在內部。

科學家表示，大部分熱量出現在內部，來自質子束和磁體。熱量是衡量多少粒子發生碰撞的物理量，而在LHC核心中流過350億億個質子無疑會引起大振動。每當一個質子飛到一個角落，它都會釋放出快速的光脈衝，這些光被周圍的物質吸收並喚醒沉睡的分子。

與此同時，鍍銅粒子束管道中的電子在金屬中流動，以追上帶正電的質子束，這就會產生電流。有些電子甚至會脫離原子的束縛，躍遷到真空中，導致碰撞並釋放更多的電子。所有這些都會產生越來越多的熱量，也將威脅到保持磁鐵超導的敏感條件。

粒子碰撞

如果磁鐵的溫度超過2.17開氏度（-270.98攝氏度），它們就會失去超導性。發生這種情況時，原本只是一點點的內部加熱很快就會升級爲大量的熱量。

爲了保持這些磁體冷卻，工程師們設計了一個複雜的低溫系統，它利用了一個非常簡單的原理：當液體蒸發爲氣體時，它會吸收熱量。這就是爲什麼我們在淋浴後感到寒冷，這並不是因爲水是涼的，而是當水滴從我們皮膚上蒸發掉時帶走了我們的熱量。

一根細長的管子穿過磁體支撐結構，輸送了一股加壓的超冷液氦。當液氦吸收多餘的熱量時，它就會蒸發，很快就被泵出。另一根冷卻管穿過粒子束管道內部，在源頭吸收能量。

大型強子對撞機

儘管做了這麼多努力，但大型強子對撞機的磁體有時會升溫到足以失去超導性，也稱爲“超導磁體失超”事件。通常只有一個集中的點升溫，而且發生得非常快。

傳感器檢測電壓的變化並觸發一個系統，該系統可以使熱量分散到整個磁體中，並將電流從磁體中轉移開。同時，LHC粒子束會被自動送到一個叫做粒子束捕集器的混凝土塊中，整個加速器將會暫停幾個小時，期間磁體則會恢復到它的超冷狀態。這種情況每兩年纔會發生一次，工程師會不惜一切代價保護磁體。