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图8-3 低温二极磁铁的原理图。质子被1232个这种超导磁铁控制在大型强子对撞机的加速环中环行。
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引导质子束的狭窄管道穿过磁铁中间，磁铁首尾相连，这样它们就可以贯穿大型强子对撞机隧道的内部。它们产生强度约为8.3特斯拉的磁场，这是冰箱磁铁磁场强度的约1000倍。由于质子束能量由450GeV增长到了7TeV，磁场也从0.54特斯拉增长到了8.3特斯拉，以继续引导能量又高了一级的质子环行。
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这些磁铁产生的磁场太大，以至于如果没有约束，那么磁铁本身都将在场的作用下移动。这种力被线圈的几何形状减轻，然而磁铁最终却是被由4厘米厚的钢板特制的辊环约束在原来位置上的。
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大型强子对撞机的高强磁铁需要超导技术。其工程师们受益于为了如下加速器的制造而研发的超导技术：超导超级对撞机，位于美国芝加哥附近的费米国家加速器实验室的Tevatron加速器，位于德国汉堡附近的德国电子同步加速器研究所（DESY）的电子-正电子加速器。
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一般的电缆，比如家用铜电缆，都有电阻。这意味着，能量在电流传递的过程中会有所损失。然而超导电缆却不消耗能量，电流可以畅通无阻地从中流过。超导线圈可以带有巨大的磁场，一旦它们就位，磁场将会得以保持。
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大型强子对撞机的每块磁铁都包含着许多铌-钛材质的超导线圈，每个线圈又包含着厚仅6微米的线状纤维，这比人类的一根头发丝还要细。大型强子对撞机包含1200吨这种不凡的纤维。如果你把它们拆开，其长度总和将能环绕火星公转轨道一圈。
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大型强子对撞机运行时，磁铁必须极端寒冷，因为它们只能在足够低的温度下运行。超导电缆被维持在比绝对零度高1.9℃的温度上，这比水的结冰相点要低271℃。这个温度甚至比太空中的宇宙微波背景辐射温度2.7K还要低。大型强子对撞机的隧道中存在着宇宙中最冷的大区域——至少是我们已知的大区域。考虑到它们特殊的冰冷本质，这些磁铁被称作“低温二极磁铁”（cryodipoles）。
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低温二极磁铁
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大型强子对撞机运行时，磁铁必须极端寒冷，因为它们只能在足够低的温度下运行。超导电缆被维持在比绝对零度高1.9℃的温度上，考虑到它们特殊的冰冷本质，这些磁铁被称作“低温二极磁铁”。
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除了应用于磁铁上令人瞩目的纤维技术之外，冷冻（低温）系统也是一件应该获得“之最”评价的壮观成就。实际上，这个系统是世界上同类系统中最大的。液氦把这个系统保持在极端低温状态。约97吨液氦在磁铁的周围流动，以冷却电缆。它们不是普通的氦气，而是能在足够压强下保持超流相的氦。超流氦并不像平常物质一样具有黏性，所以它可以高效地带走磁铁系统中产生的热量。10000吨液氮先被冷却，然后它们再冷却在磁铁中环行的130吨氦。
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并非大型强子对撞机中的每一个部分都处在地下。地表建筑中有仪器、电子设备与冷却装置。传统的制冷装置可以把氦冷却到4.5K，之后当压强减小时，才会进入最终的冷却步骤。这个过程（以及加热）大约历时一个月，这意味着每当这台机器开、关或者试图进行修理时，都需要花费很长时间以待冷却。
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如果出了某些问题，比如一小部分热量升高了温度，那么系统就会骤冷，这意味着超导性会被破坏。如果能量没有及时消散，那么这种骤冷将是灾难性的，因为储藏在磁铁中的能量将被突然释放出来。因此，有一个特殊的系统以检测骤冷现象，并把释放出的能量快速分散。这个系统寻找因丧失超导性导致的电压差异。一旦检测到这样的情况，能量就会在一秒钟之内被分散到整个系统中，所以磁铁就不再具有超导性。
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即便应用了超导技术，我们也需要极大的电流，以达到所需的8.3特斯拉的磁场。电流最高能达到12000安，这大约是你书桌上台灯灯泡中流过电流的40000倍。
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由于巨大电流与冷却系统的存在，大型强子对撞机的运行需要花费巨额的电量，这个数量几乎等于一座小型城市的供电量，比如附近的日内瓦城。为了避免过度的能量消耗，加速器仅在瑞士的寒冬到来之前运行，那时电费将会上涨（这是2009年开机时的期望）。这个政策给大型强子对撞机的科学家与工程师们带来了福利，让他们可以有一个美好的圣诞长假。
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穿过真空而对撞
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大型强子对撞机的最后一宗“最”是有关质子环行于其中的管道中的真空。这个系统必须摒除尽可能多的物质，以保持氦的温度足够低，因为任何误入歧途的分子都有可能带走热量与能量。最重要的是，质子束所在的区域必须尽可能不存在气体。如果存在气体，那么质子就有可能与它发生对撞，并破坏质子束的良好环行过程。因此，质子束内部的压强极端微小，小到是大气压的十万亿分之一——这是地表100万米的高处、极端稀薄的大气所具有的压强。在大型强子对撞机中，9000立方米的空气都被抽空，以迎接质子束的到来。
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即便是在这种低到极点的压强下，管道区域中每立方厘米依旧存在大约300万个气体分子，所以质子确实经常碰撞到气体并偏离方向。如果足够多数量的质子碰撞了超导磁铁，那么它们将导致超导磁铁骤冷，并破坏超导性。碳准直器把大型强子对撞机中的粒子束校直，以除掉位于某个3毫米的孔隙之外的杂散束粒子。这个孔隙足够让宽度在毫米数量级的粒子束通过了。
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然而，把质子聚合为毫米级的粒子团依旧是件棘手的工作。它由叫作“四极磁铁”（quadrupole magnet）的磁铁完成，这种磁铁可以高效地集中、压紧粒子束。大型强子对撞机中包含392个这样的磁铁。四极磁铁也让质子束从它们各自的路径上散开，这样它们才可以真正实现对撞。
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这些质子束并非精确或者完全地迎面对撞，而是以一个极微小的角度对撞，这个数值大约为1/1000弧度。这是为了确保在同一时间只有来源于质子束的一个团发生对撞，这样数据就少一些混乱，质子束也能保持原封不动。
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当来源于两个质子束的团对撞时，1000亿个质子将与另外1000亿个质子激烈碰撞。四极磁铁也用于完成极端艰巨的任务，即把沿着发生对撞、记录事件的实验所在粒子束区域的粒子束集中起来。在这些位置，磁铁把粒子束压缩到16微米的尺度上。粒子束必须极小、致密，以使在相遇时，一个团中的1000亿个质子更加可能找到另一个团中的1000亿个质子之一。
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一个团中的大多数质子都无法找到另一个团中的质子，即便它们已经被引导向彼此的方向发生对撞。单独的质子直径仅有百万分之一纳米。这意味着，即使所有的质子都被约束在16微米的团内，每当团与团之间交错而过时，也仅有约20个质子迎面相撞。
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事实上，这是一桩好事。如果同时出现太多的对撞，那么数据将会变得非常混乱，我们将不能准确分辨究竟哪个粒子从哪次对撞中出现了。当然，完全没有对撞出现是一桩坏事。通过把特定数量的质子集中到特定的尺度上，大型强子对撞机确保了每次两个团交错而过时发生对撞的次数是最优的。
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单独质子的对撞几乎是瞬时出现的，其时间大约比1秒低25个数量级。这意味着，质子对撞的时间间隔完全取决于团之间交错的频率，其下限约为25纳秒。团之间每秒钟交错多于1000万次。通过这种频率的对撞，大型强子对撞机得以产生大量数据——每秒钟大约10亿次碰撞。幸运的是，团之间交错的时间间隔足够长，足以让计算机追踪到感兴趣的单一碰撞，而不会被不同团中发生的碰撞所扰乱。
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