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  • 探寻微观世界奥秘的重要手段——次原子的粒子加速器是如何运作的

    在人类制造的众多伟大器械中其中一样叫做‘原子撞击’。其中体积上最大的‘大型强子对撞机(LHC)’是一个周长约 18 英里的环形建筑,而这个比曼哈顿还长的原子加速器到底是什么呢?

    探寻微观世界奥秘的重要手段——次原子的粒子加速器是如何运作的

    图解:大型强子对撞机实验和预加速器。质子(和离子)的路径从直线加速器开始(分别标记为p和pb)。它们继续在助推器(未标记的小圆圈)、质子同步加速器(PS)、超级质子同步加速器(SP)中前进,最后进入长达27公里的大型强子对撞机隧道。在大型强子对撞机上有4个用黄点标记的大型实验。

    LHC是让具有极高能量的原子核互相撞击的仪器。科学家建造能量最高的仪器可以将物质加热到有史以来的最高温度,相当于宇宙在诞生后的兆分之一秒的温度,其加速器由尖端工程技术构成。而LHC 的碰撞隧道是真空的压力,因而比国际太空站周围的气压还小,且温度在华氏零下 456 度 (约摄氏零下 271 度),比最深远的宇宙都还冷。

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    图解:从空中鸟瞰大型强子对撞机的地理环境,虽然结构大部分在法国境内,但是主要的建筑则多在瑞士。

    先前的一个置于 LHC 加速碰撞隧道中的加速器仍保持着速度的世界纪录,它能将一个电子加速到极高的速度,几乎接近于光速,光子大约需要14 分钟的时间才能领先 10 英尺。如果这还不让你惊讶,要记得光子是宇宙上最快的东西,它时速每秒大约186,000英里。那么,这些次原子的粒子加速器是如何运作的?(次原子是指比原子小的粒子)

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    图解:CERN大型强子对撞机平面位置图,圆形轨道位于日内瓦机场西北方

    答案是利用电场。电场让带电粒子朝相同方向运动就像重力把棒球向下拉一样。这样来自电场的力将吸引粒子且使它运动。速度会继续增加直到带电粒子到了惊人的速度。将两块平行金属板和一颗电池相链接起来,就可制做一个简单的粒子加速器。电池的电荷移动到两个金属板上产生电场来吸引粒子移动,就这么简单,这就是一个粒子加速器。问题是用这种方式建造的加速器能量很小。

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    图解:LHC的超导电四极电磁铁,由费米实验室合作者所建造

    如果用这种方式建设大型强子对撞机则需要超过五兆个标准的一号电池。因此,科学家们使用更高能的电池并将它们串联。早期的加速器就采用了这种方法,这种加速器大约有一英里长相当于300亿个电池。要建造一个相当于 5 兆个电池能量的加速器则需要150英里长的加速器。

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    图解:一张描述LHC如何产生希格斯玻色子的费曼图。在图中,两个夸克各放射出一个W及Z玻色子,进而融合成一个希格斯玻色子。

    科学家们找到了另一种方法。电场可加速粒子,而磁场则可使它们沿圆环路径移动。如果把电场沿圆环路径安置,那么就不需要数英里长的电场,你可以循环使用同一电场。粒子会绕着圆圈运动而每次循环电子获得更高的能量。

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    图解:在CMS侦测器中希格斯玻色子衰变的模拟事例重建图。(event display)

    所以高能加速器包含一小段的加速电场和一个长系列的磁铁。磁铁用于引导粒子沿圆环循环。磁场强度和圆环半径决定粒子束的最高能量。一旦粒子束达到极高速度,真正的乐趣就开始了——对撞。物理学家之所以想要这些粒子高速运动就是要让它们互相碰撞。这些碰撞可以帮助我们探寻物质必须遵守的基本原理,但如果没有工程学上的成就这是不可能实现的。这就是粒子加速器。

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    相关知识延伸阅读

    大型强子对撞机(英语:Large Hadron Collider,缩写:LHC)是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织的对撞型粒子加速器,作为国际高能物理学研究之用。LHC已经建造完成,2008年9月10日开始试运转,并且成功地维持了两质子束在轨道中运行,成为世界上最大的粒子加速器设施。大型强子对撞机是一个国际合作计划,由全球85国中的多个大学与研究机构,逾8,000位物理学家合作兴建,经费一部分来自欧洲核子研究组织会员国提供的年度预算,以及参与实验的研究机构所提拨的资金。

    参考资料

    1.Wikipedia百科全书

    2.天文学名词

    3. Minji Seo- TED-Ed-森汩

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