唐·林肯（Don Lincoln）是美國最大的大型強子撞機研究機構美國能源部費米拉布（Fermilab）的高級科學家。他還為公眾寫了有關科學的文章，包括他最近的“大型強子對撞機：希格斯玻色子的非凡故事和其他會讓您大腦的事物（約翰·霍普金斯大學出版社，2014年）。你可以跟隨他Facebook。這裡的意見是他自己的。林肯向現場科學貢獻了這篇文章專家聲音：專家和見解。
如果您是科學團體，那麼一無所知，只要基石科學理論被推翻，並以更新和更好的方式取代，那麼2016年很可能是您的一年。世界上最大的粒子加速器，大型強子對撞機（LHC）是在冬季停頓後恢復操作當法國電力成本最高時。
那麼，為什麼LHC重新登上了這麼大呢？這是因為這是加速器將以接近其設計規格的東西運行的那一年。科學家會將煤氣踏板砸到地板上，將消防軟管張開，將放大器按鈕旋轉到11個或製定您喜歡的任何隱喻。今年是全面LHC運營的第一年。
粒子粉碎器重生
現在，如果您實際上是科學團體，您知道LHC是什麼，並且可能聽說過它的一些成就。你知道它將兩束質子砸在一起幾乎以光速行駛。您知道科學家使用LHC找到了希格斯玻色子。您知道這個奇蹟是有史以來最大的科學設備。
那麼現在有什麼不同呢？好吧，讓我們回到2008年，當時LHC散發其第一個光束。當時，世界上首要的粒子加速器是美國能源部的Fermilab Tevatron，它以高達2萬億電子伏特（TEV）的能量和橫梁亮度約為2×10的橫梁碰撞32厘米-2s-1。光束亮度的技術術語是“瞬時光度”，基本上是密度。更確切地說，當光束穿過目標時，瞬時光度（L）是通過位置的光束中每秒的顆粒數（ΔNb/ΔT）除以樑的面積（a），乘以目標數（nt），l =Δnb/ΔT×（1/A）×Nt。 （目標可以是另一個光束。）
最簡單的類比可以幫助您理解此數量是光源和放大鏡。您可以通過調高光源的亮度或更緊密地聚焦光線來增加光的“光度”。梁是一樣的。您可以通過增加光束或目標顆粒的數量或將梁集中到較小的區域來增加瞬時光度。
LHC的建造是為了取代Tevatron並擊敗該機器已經令人印象深刻的性能號碼。新的加速器旨在在14 TEV的碰撞能量上碰撞光束，並具有至少100×10的光束亮度（瞬時光度）32厘米-2s-1。因此，樑的能量要高出七倍，並且梁亮度將增加50至100倍。
可悲的是，在2008年，當電短造成嚴重損壞時，在LHC中發現了一個設計缺陷，需要兩年的維修。此外，當LHC真正運行時，它在2010年的設計能量（7 TEV）的一半和橫梁亮度基本與Fermilab Tevatron的亮度相同。較低的能量是給出較大的安全邊緣，因為設計缺陷僅修補，而不是完全重新設計。
當梁亮度高達30×10時，情況在2011年有所改善32厘米-2s-1，儘管具有相同的光束能量。 2012年，樑的能量升至8 TEV，梁亮度較高，峰值達到約65×1032厘米-2s-1。
LHC在2013年和2014年被關閉，以改裝加速器，以使其安全地靠近設計規格。這些改造主要由其他工業安全指標組成，可更好地監測LHC中的電流。這有助於確保沒有電短短褲，並且有足夠的排氣。在磁鐵中，通風液保證LHC磁鐵（橫樑和氮氣）在磁鐵中沒有災難性破裂（引導梁），並變成氣體。 2015年，LHC恢復了操作，這次是13 TEV，橫梁亮度為40×1032厘米-2s-1。
那麼，2016年預期的是什麼？
LHC將在13 TEV上運行，並具有橫梁亮度，預計將接近100×1032厘米-2s-1甚至可能略微超過該標記。本質上，LHC將以設計規格運行。
此外，2016年存在技術變化。 LHC梁中的質子將在環上更均勻地散佈，從而減少質子同時碰撞的質子數量，從而產生更好的數據，從而更易於解釋。
在技術層面上，這很有趣。顆粒梁不是連續的，例如激光束或從軟管中出來的水。取而代之的是，光束有幾千個不同的“束”。一堆看起來有點像一根未煮過的意大利麵條，除了大約一英尺長且更薄得多 - 大部分時間（大部分時間）。這些束在LHC的16英里長（27公里）的圓圈中行駛，每束束與其他束分開，距離（到目前為止）約50英尺（15米）。
2016年的技術變化是採用相同數量的梁質子（大約3×1014質子）並將它們分成2,808束，每個束分隔不到50英尺，而是25英尺（7.6 m）。這使束數量翻了一番，但將每個束中的質子數量切成兩半。 （每束大約包含10個11質子。 ）
由於LHC具有相同數量的質子，但分為更多的束，這意味著當兩個束束交叉並在檢測器的中心碰撞時，每次交叉的碰撞較少。由於大多數碰撞都是無聊和低能的事務，因此其中很多碰撞同時發生了有趣的碰撞，這只是在席捲數據。
理想情況下，您只想有一個有趣的碰撞，也沒有同時無聊的碰撞。從50英尺到25英尺的一束分離距離的這種變化使數據收集更接近理想。
發光光束
另一個關鍵的設計元素是集成梁。梁亮度（瞬時光度）與每秒質子碰撞的數量有關，而集成的束（集成光度）與兩個反旋轉光束不斷通過檢測器時發生的碰撞總數有關。綜合亮度是在幾天，幾個月和幾年中加起來的。
集成光度的單位是PB-1。這個單元有點令人困惑，但還不錯。 “ pb”中的“ b”代表穀倉（稍後更多）。穀倉是10-24厘米2。 Picobarn（PB）是10-36厘米2。術語“穀倉”是一個區域單位，來自另一個稱為橫截面的粒子物理術語，這與兩個粒子會相互作用並生成特定結果的可能性有關。具有較大有效區域的兩個對象將很容易相互作用，而具有較小有效區域的對像很少相互作用。
穀倉面積的物體是一個正方形，長度為10-12厘米。那大約是鈾原子核的大小。
在第二次世界大戰期間，印第安納州普渡大學的物理學家正在與鈾合作，出於安全原因需要掩蓋其工作。因此，他們發明了“穀倉”一詞，將其定義為鈾核大小的區域。鑑於該區域在核物理學家和粒子物理學家眼中有多大，普渡大學的科學家正在選擇“與穀倉一樣大”的短語。在亮度世界中，其單位（1/穀倉）意味著更多的光度。
由於科學家提高了操作加速器的能力，每年在LHC中看到的綜合發光度中，這種趨勢是顯而易見的。 2010年的綜合光度為45 pb-1。在2011年和2012年為6,100 PB-1和23,300 pb-1， 分別。隨著時間的流逝，加速器的運行變得更加可靠，導致記錄的碰撞數量要高得多。
由於該加速器在2013年至2014年關閉期間已重新配置，因此2015年的發光度較低，為4,200 PB-1，儘管當然，在更高的光束能量下。 2016年的投影可能高達35,000 PB-1。預測的增加僅反映了加速器運營商對操作設施的能力的增強信心。
這意味著在2016年，我們實際上可以記錄到2015年的八倍數據。預計2017年將帶來更高的性能。
照亮新科學
讓我們考慮一下這些改進的含義。當LHC在2010年首次碰撞梁時，仍將觀察到希格斯玻色子。另一方面，已經預測了粒子，並且有充分的間接證據可以期望發現希格斯。而且，毫無疑問，必須承認，希格斯玻色子的發現是巨大的科學勝利。
但是，無論多麼令人印象深刻，確認先前預測的粒子都不是為什麼建造LHC的原因。
科學家當前的粒子世界理論稱為標準模型，它是在半個世紀前的1960年代後期開發的。雖然這是一個非常成功的理論，但眾所周知它有孔。儘管它解釋了粒子的質量的原因，但它並不能解釋為什麼某些粒子比其他粒子具有更多的質量。鑑於只有少數需要構成原子，幼犬和比薩餅的普通物質，因此它不能解釋為什麼有這麼多基本粒子。當理論預測物質和反物質應相等數量時，它並不能解釋為什麼宇宙僅由物質組成。它沒有確定暗物質，這是普通物質的普遍五倍，這是解釋為什麼星係以莊重的方式旋轉而不將自己撕裂的原因。
當您直接使用它時，標準模型沒有解釋很多。儘管關於可以取代新的和改進的理論有很多想法，但想法很便宜。訣竅是找出正確的想法。
這就是LHC進入的地方。 LHC可以探索如果我們將重要的事情暴露於越來越嚴重的情況下會發生什麼。使用愛因斯坦方程E = MC2，我們可以看到只有在LHC中可以實現的高碰撞能量如何轉化為前所未有的物質形式。我們可以篩選LHC數據，以找到將我們指向正確方向的線索，以希望找出下一個更大，更有效的理論。我們可以朝著找到一切理論的最終目標邁出一步。
現在，通過LHC在本質上是設計規範的運行，我們最終可以使用機器來做我們為它構建的操作：探索新領域，調查從未見過的現象，並從我最喜歡的電視節目中竊取一條線，“大膽地去了沒有人去過的地方。”我們的科學家很興奮。我們很頭暈。我們被抽。實際上，只有一種方式可以表達我們如何看待即將來臨的一年：
這是放映時間。
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