LHC@home

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LHC@home 项目简称是 LHC，主要由欧洲核子研究中心发起。

为什么基本粒子会有各自不同的质量呢？反物质是怎么回事？大型强子对撞机 (LHC) 能帮忙解答许多人类无法解答的问题。

但是，大型强子对撞机的稳定运行需要大量的计算。LHC@home 的 SixTrack 程序能够模拟粒子在大型强子对撞机中运行从而研究其稳定性。它计算校检对撞机中运行的高能粒子束的长期稳定性所必需的数据，使项目负责人能够洞察对撞机将来的运行情况。

LHC@home 的 Sixtrack 程序一般每次模拟60个粒子绕加速器环运行100000（有时可能达到 1000000）圈的运行情况。这看似是一个很长的过程，但在真实世界中它们只需要不到10秒的时间。但这已足以检验到底粒子束是在长时间内保持稳定的运行，还是会失去控制并导致加速器由于损坏而停止。没有 LHC@home 分布式计算项目的运行，对撞机粒子束的不稳定性是一个很严重的问题，可能会严重减慢人类建立大型对撞机的进程。

为什么我们需要LHC

为什么我们需要 LHC ? 因为我们现在对宇宙的认识还不完整。

在过去一个世纪中，众多物理学家的理论和发现揭示了粒子与力的标准模型这一个描述物质基本结构的图景。在现在，标准模型已经被广泛验证，并被应用于解释并预言广泛的物理现象。不断重复的精确实验出来的结果与标准模型的预言精确匹配。不过，由于它还留下了很多未解之谜，所以，故事远未完结。

在这些疑惑当中，最令人困惑的是：为什么基本粒子会有各自不同的质量呢？由于我们对这个如此简单的观念的理解如此的少，所以这个问题实在引人注目。这个问题的答案可能就是标准模型中一个叫“希格斯机制”的思想。根据这个思想，整个空间被一个所谓的“希格斯场”所充满，粒子通过与这个场相互作用而获得质量。与希格斯场相互作用强的质量就大，反之质量就小。这个希格斯场至少联系一个新的粒子，我们叫它希格斯玻色子。如果这样的粒子存在的话，LHC 就可以探测到它。

另一个疑问是关于四种力为何存在的。当宇宙诞生不久，还没变冷的时候，可能四种力的行为是一样的。粒子物理学家希望找到一个单一的理论体系来证明它，现在已经有了一定的进展。在 19 世纪 70 年代，电磁力和弱力已经被统一为一个单一的理论。几年以后，这个理论被一场在 CERN 举行的、后来获得诺贝尔奖的实验所证实。但是，四种力中强度最弱的引力和强度最强的强力还是水火不相容。力的统一暗示的一个流行的观点就是超对称（简称 SUSY）。超对称预言，每一个已知粒子都有它的超对称“伙伴”。如果超对称是正确的，那么这些超对称粒子应该会在LHC中被找到。

反物质给我们出了另一个谜，LHC 能够帮助我们解答它。我们曾经一度认为反物质是物质的完美镜像。如果你将物质替换成反物质，然后在镜子中观看结果，你不会察觉与正常的有何不同。现在我们知道，这种镜像是不完美的，这就导致了物质与反物质之间的不平衡。LHC 会成为一个很好的“反物质镜子”，能让我们用至今最严酷的实验来检验标准模型。

这只是LHC能够回答的一些问题。历史证明，最伟大的科学进步往往是无法预料的。尽管我们有一个建造LHC的绝佳理由，但自然总是出人意料的。

有一件事是确定的，就是LHC会改变我们对宇宙的看法。

面临的挑战

技术挑战

重要参数
在 LHC 中，质子碰撞所产生的能量可以达到 14 特电子伏特，是以往的加速器的 10 倍。但是，仅仅只有能量是远远不够的。如果要想保证一个有效的实验，比如说完成 LHC 所计划的探索，还需要考虑一个很重要的参数：亮度。 碰撞的亮度是与每秒钟碰撞次数成正比的。然而，在以往的加速器中的碰撞亮度最多达到 L = 1032cm-2 s-1 ，在 LHC 亮度可以达到 L = 1034cm-2 s-1 。在每个环中注入 2835 群含有 1011 个粒子就可以达到这一点。 这种前所未有的能量和亮度给设计与运行带来了严酷的考验。

干扰效应

当粒子正在环行 4 亿圈时，有几种效应会使粒子束变弱，亮度变暗。让我们来看一下几个主要问题，以及 CERN 的科学家如何试着解决它们。

粒子束效应

当两群粒子在一个物理探测器中间相遇时，只有一小部分的粒子会迎头相撞，产生我们想要的结果。其他粒子会被反向的群的电磁力推偏离。这种偏离，对密集的粒子群效应更大。如果在每一圈的偏离都累积起来，很可能会导致意外的粒子损失。这种粒子束效应已经在以前的加速器中被研究过。实验表明，我们如果想使粒子束保存实验所需的更长的时间，粒子束的密度就不能超过一个极限。为了达到我们想要的亮度，LHC 需要尽可能地靠近这个极限。

集体不稳定性

当在 27 千米的 LHC 管道中以接近光速运行时，每一个质子群都会留下一个影响下一群粒子的电磁场。这可能会导致粒子束的丧失。这种集体不稳定性在 LHC 中会变得更严重，因为为了达到更高的亮度，我们需要更大的粒子束。仔细地控制在粒子束周围的元素的电磁属性与利用改进了的反馈系统可以将这种效应减到最低。

混沌运动

除了已经提到的粒子束效应以外，引导以及聚焦的电磁场如果稍微与线性预定有偏离的话，会导致粒子束有混沌效应。这样的话，在许多次环行后，粒子可能会丢失。 在 LHC 中，粒子注入能量中，不完美的电磁场产生的不稳定效应更为明显，因为缺陷的程度更大，粒子束占据环绕横截面的一个更大的部分。

解决途径

1、我们必须估计动态孔（在要求时间内粒子束能保持稳定的环绕横截面部分）的大小，保证它比注入的粒子束横截面更大，并留下一道足够安全的边沿。
2、直到现在，还没有一个理论能充分精确地预言在非线性场中粒子束的长期行为。所以，我们用计算机模拟追踪数以百计的粒子一步步穿过 LHC 的磁铁上百万圈。模拟结果被用来确定在设计以及制造中电磁铁质量的可以容忍的偏差。

您能够在这里帮助我们！参加 LHC@home ，运行 SixTrack 程序，帮助科学家们对付混沌运动的影响！

熄灭

不管怎么细心，粒子束的寿命不会是无限的。也就是说，一部分粒子会散射到管壁并且丢失。在这种情况下，粒子的能量会在周围的金属材料中转化成热，又可能会导致需要低温的超导电磁铁“熄灭”。在 LHC 中 5000 个超导磁铁的任一个的熄灭，都会使机器的运行中断几个小时。为了避免这样的事情，一个瞄准系统会在不稳定的粒子碰到管壁之前捕获它们，从而限制在远离超导电磁铁的隔离区域内的损失。为了设计更有效的控制系统，安全工程师们正在用先进的电脑程序去研究耦合的磁铁受一次“熄灭”产生的热量的影响的分析。

LHC@home项目历史

2003年，CERN(欧洲粒子物理研究所) IT 部门的 Eric McIntosh 和 Andreas Wagner 展开对一款名为 Compact Physics Screen Saver (CPSS) 的屏保的测试。在屏幕保护的同时运行 SixTrack 。CPSS 被视为是一个分布式计算工作重要工具。今天，在 CERN 使用 CPSS 的计算机一远不只 200 台。不同的 PC 可以分析不同的 WU 。Eric McIntosh 利用严密的数学函数，解决了在不同计算机上所出现的问题。

2004年1月，Ben Segal 和 François Grey 被任命在 CERN 的五十周年庆典之际，把分布式计算以及 LHC 推向全世界。他们接触到SETI@home的主管 Dave Anderson。那时，Anderson 先生正在测试新的BOINC平台。与此同时，一些丹麦学生找到了 François Grey ，他们十分热衷于参加此计划，因为这对于他们的硕士论文十分有用。这就是 LHC@home 的开始。Christian Søttrup 和 Jakob Pedersen 用整个春天和夏天的时间，试图把 SixTrack 和 BOINC 平台衔接起来。他们简直是典型的工作狂。您能从他们的文章中，找到关于分布式计算像 LHC@home 的描述。

2004 年夏天以后，一位来自 Berkeley（伯克利大学）的学生 Karl Chen 前来帮助 Christian 和 Jacob 与 BOINC 方面的人员一起工作。他曾和Dave Anderson 共事。一位来自 Basel（瑞士巴塞尔大学）的学生 Jasenko Zivanov 对 CPSS 的屏保画面做了修改。两位从赫尔辛基物理协会的计划中毕业的学生轮流负责对 BOINC 服务器的设置和管理工作。随着 LHC@home 顺利通过第一和第二阶段的调试，程序终于在 9 月份和 BOINC 平台衔接成功。而这胜利的一天，正是 CERN 建立 50 周年的纪念日——九月二十九号。单在 10 月 16 号 CERN 开放日这一天，就有超过 30000 人次访问了 CERN 的站点。几个月以后，SixTrack 的用户超过了 6000 人。这被认为是服务器所能承受的最大吞吐量。

LHC@home 在数月的暂停之后，于 2005 年 2 月重新开始。对 LHC@home 用户的服务成为了 CERN IT 部门的主要工作。LHC@home 计划重新开始启动也是当年物理界的大事之一。Ignacio Reguero 正在管理此项目。他与 Phil Defert 和 Phil Defert 一起在 High Energy Physics community（高能物理研究协会）中寻找其他合作伙伴。目的是为了开发新的软件。Eric McIntosh 和 Frank Schmidt 继续为给用户提供数据和分析数据而努力工作。赫尔辛基物理协会在 CERN 科技计划的参与者 Jukka Klem 正在管理 24 小时工作的服务器，并负责发布项目新闻。

SixTrack程序简介

SixTrack （LHC@home 项目所使用的计算程序）

LHC（大型强子对撞机）实验所需要的科学计算大多都需要对海量的数据进行检索——LHC 每年都会产生 15PB（即 15360GB）的数据。这种规模的数据需求意味着绝大多数的数据分析程序不能在个人电脑上运行。这就是为什么 CERN（欧洲粒子研究所）正在带头开发将世界各地的主要计算中心连接起来的计算网格。

然而，公开的计算也有可能会对 LHC 项目产生特殊的意义。CERN 的网络技术部对评估像 SETI@home 这种分布式计算技术是否在将来有用处很感兴趣。一个叫 SixTrack 的，旨在模拟粒子在 LHC 中运行以研究 LHC 的稳定性的程序，可以在个人电脑上运行，而且只需要相对较少的输入输出量。

SixTrack 是由 CERN 加速器与粒子束部门的 Frank Schmidt 开发的。它基于一个早期在 DESY（德国电子同步加速器，位于汉堡）开发的程序。它计算校检 LHC 中运行的高能粒子束的长期稳定性所必需的数据。LHC 的总负责人 Lyn Evans 说：“Sixtrack 返回的数据真的很紧要，它让我们能够洞察将来LHC的运行情况。”

Sixtrack 一般每次模拟 60 个粒子绕加速器环运行 100000（有时可能达到 1000000）圈的运行情况。这好像是很多次运行，但在真实世界中它们只需要不到10秒的时间。但这还是足以检验到底粒子束是在长时间内保持稳定的运行，还是会有失去控制撞击真空管壁的危险。这样的粒子束的不稳定性是一个很严重的问题，可能会导致加速器由于损坏而停止。

重复上千次这样的计算，我们就可以知道加速器中的粒子束的稳定运行路径等等情况。

粒子在稳定轨道（图左）和不稳定的混乱轨道（图右）中的相空间图像。这个相空间图画出了每个粒子返回情况所代表的点。对于稳定的粒子，它的相空间是整个相空间的有限的一部分。而对于不稳定的粒子，它的相空间倾向于填满整个可能的相空间。在某些点，不稳定的粒子甚至会完全地离开轨道，导致粒子束被破坏。

如何参加

1.首先您需要下载BOINC计算平台并且安装:http://boinc.berkeley.edu/download.php
2.然后打开BOINC软件.在简易视图中请点击"Add Project"按钮,或者在高级视图中请点击"工具-->加入项目"
3.在向导对话框中点击"下一步",找到LHC@home项目并且选中,接着点击"下一步"
4.如果您还没有本项目帐号,请注册;如果您已经有了本项目帐号,请输入您的电子邮件地址和您注册时填写的密码[注意,这里的密码是指您注册本项目时填写的密码,并非您的电子邮件密码]
5.最后点击"下一步",即开始参加本项目.

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