作者莎拉·查利，布鲁克海文国家实验室 信用:沙盒工作室，芝加哥/阿里尔戴维斯 即使在最热和最干燥的日子里，太阳的光线也太弱而不能点火
但是用放大镜(或者，在某些不幸的情况下，用玻璃花园装饰品)，你可以将阳光聚焦成足以点燃火种的光束
在大型强子对撞机上，科学家们在质子束(有时是重离子)穿过加速器的四个碰撞点之前聚焦质子束时应用了同样的原理
高能粒子碰撞使科学家能够研究物理的基本规律，并寻找新的粒子、场和力
通过在质子束碰撞前对其进行紧密聚焦，科学家可以快速增加他们必须研究的碰撞事件的数量
欧洲粒子物理研究所和世界各地的科学家、工程师和技术人员——包括费米国家加速器实验室、布鲁克海文国家实验室和劳伦斯·伯克利国家实验室，作为美国能源部科学办公室高亮度LHC加速器升级计划的一部分——正在建造新的聚焦磁体，这将把碰撞的质子挤压成更小的体积
他们还在设计新的撞击磁铁，这将撞击进入的粒子的轨迹，以帮助两个光束在碰撞点面对面相遇
在21世纪20年代末，科学家将开启涡轮增压高亮度LHC
升级将使科学家必须研究的潜在碰撞总数至少增加10倍
为什么是光度而不是碰撞？ 正如你可能已经注意到的，当物理学家谈论粒子碰撞时，他们谈论一种叫做光度的测量
它没有告诉科学家对撞机内到底发生了多少粒子碰撞；相反，光度测量交叉光束中粒子的密集程度
挤压越紧，一些粒子碰撞的可能性就越大
在HL-LHC，在加速器的四个实验交叉点上，预计每25纳秒就有2200亿个质子通过另外2200亿个质子
但是绝大多数质子实际上不会相互作用
即使有今天最好的光束聚焦技术，一个质子与LHC环内另一个质子碰撞的几率仍然远远小于赢得百万大奖的几率
质子不是固体球体，当它们相互接触时会反弹、破裂或粉碎
相反，它们是杂乱无章的场包，甚至是被称为夸克的更小的粒子
两个质子可以直接穿过对方，他们有可能只会重演电影《幽灵》中的那一幕，在那一幕中，扮演有名无实的幽灵的演员帕特里克·斯威兹把他那飘渺的头伸进一列移动的火车——但没有效果
你可以让质子正面碰撞，但你不能让它们相互作用
即使两个质子确实相互作用，也算碰撞吗？如果两个质子相互掠过，它们相交的电磁场产生的冲击波会射出几个光子，这算吗？如果这些杂散光子中的一个穿过另一个质子的心脏呢？如果两个质子相互擦过，射出一束粒子，却保持完好，会怎样？ 碰撞很复杂
所以物理学家转而谈论光度
碰撞速率 粒子聚在一起碰撞的速度被称为“瞬时光度”
" 坎特伯雷大学的博士后保罗·卢汉说:“瞬时光度取决于每个碰撞光束中粒子的数量和光束的面积。”他为合作模式系统实验进行光度测量
“较小的光束尺寸意味着每秒钟更多的潜在碰撞
" 2017年，LHC物理学家测量到的瞬时光度为2，创下新纪录
06 x 1034每平方厘米每秒
(将每个束中的质子数相乘，然后除以随时间变化的束面积，单位为平方厘米
) “光度的单位有点不直观，”卢汉说，“但它给了我们所需要的信息
" 当科学家给LHC装载一批新的粒子进行碰撞时，只要光束状态足够好，粒子足够多，瞬时亮度足够高，他们就会让粒子继续运行
考虑到平均LHC填充持续10到20个小时，潜在碰撞的数量会迅速攀升
所以科学家不仅仅关心瞬时光度；他们还关心“综合亮度”，即在那几个小时的运行中积累了多少潜在的碰撞
打不到谷仓门的宽边 瞬时光度和综合光度的区别在于，“现在我正以每小时60英里的速度行驶”和“十个多小时后，我行驶了600英里”之间的区别
" 对于综合光度，物理学家从平方厘米转换到一个新的面积单位:谷仓，指的是成语“不能击中谷仓的宽面”
“从亚原子粒子的角度来看，“谷仓”是如此巨大，以至于很难错过
谷仓是在20世纪40年代发明的
它的实际尺寸——10-24平方厘米——直到第二次世界大战结束才被分类
这是因为它相当于铀核的大小，铀核是当时新开发的原子弹的关键成分
战后，谷仓一直存在，并成为核物理和粒子物理中测量面积的标准方法
在谷仓里说话——还有一个更小的单位，相当于10-15个叫做“femtobarn”的谷仓——让物理学家可以把一个巨大的数字转换成一张明信片，把它从一个实际谷仓边上写不出来的太长的东西变成一个可以放在明信片上的东西
物理学家还使用费米-伯顿测量亚原子过程的概率，称之为“截面”
" “想象一下自助餐厅里的食物大战，”卢汉说
“我们可以根据在场人数、自助餐厅的面积和大小、食物大战持续的时间(可用于计算所有可能互动的“综合亮度”，包括肉丸互动)以及特定过程的可能性(肉丸互动的“横截面”)，预测被流散肉丸溅到的人数(肉丸互动，如果你愿意的话)
" 为了测试物理定律，物理学家将他们对某些过程的概率的预测与他们在实践中实际看到的进行比较
随着HL-LHC的升级，科学家们正在增加质子的数量，减小碰撞点的直径，并更好地调整质子的轨迹
所有这些变化都有助于增加质子在穿越LHC十字路口时相互作用的可能性
碰撞机会的增加将有助于物理学家发现和研究罕见的过程和粒子，这对理解物理学的基本定律至关重要
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