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2019年6月5日 星期三

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關(guān)于粒子加速器你可能不知道的十件事
發(fā)布日期：2022-03-14    發(fā)布：中國核學(xué)會(huì)
以下文章來源于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室/SLAC聯(lián)合出版物《symmetry》
歐洲核子中心（CERN）實(shí)驗(yàn)室的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)已經(jīng)進(jìn)入了流行文化：喜劇演員喬恩·斯圖爾特在《每日秀》上對(duì)它開玩笑，《生活大爆炸》中的人物謝爾頓·庫珀的夢(mèng)想，《天使與魔鬼》中的惡棍從這里偷走了虛構(gòu)的反物質(zhì)。
盡管知名度不斷提高，但粒子加速器仍有許多秘密可供分享。根據(jù)全球?qū)嶒?yàn)室和機(jī)構(gòu)的科學(xué)家的意見，Symmetry整理了一份您可能不了解的關(guān)于粒子加速器的10件事供分享。
歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)




全世界超過3萬臺(tái)

加速器在運(yùn)行




加速器遍布世界各地，做著各種各樣的工作。它們最為人所知是在粒子物理研究中的作用，但它們的其他才能包括：產(chǎn)生可以破壞腫瘤的電子束來治療癌癥；殺滅細(xì)菌以預(yù)防預(yù)防食源性疾病; 開發(fā)更好的材料來生產(chǎn)更有效的尿布和收縮包裝；幫助科學(xué)家改進(jìn)燃料注入，以提高車輛引擎效率等等。




世界上最長的現(xiàn)代建筑之一是

粒子加速器



直線加速器（簡稱linacs），設(shè)計(jì)用于將一束粒子沿直線加速的裝置。通常，直線加速器越長，粒子碰撞就越猛烈。位于舊金山附近的SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的直線加速器是地球上最長的直線加速器。
SLAC的速調(diào)管走廊坐落在加速器的頂部地面上，這是一座為加速器提供動(dòng)力的組件所在的建筑。它是世界上最長的現(xiàn)代建筑之一。總的來說，它的長度略小于2英里，實(shí)驗(yàn)室員工每年都會(huì)沿著它舉行賽跑活動(dòng)。




霍金說，粒子加速器

是我們離時(shí)間機(jī)器最近的東西




2010年，物理學(xué)家斯蒂芬·霍金為英國《每日郵報(bào)》撰寫了一篇文章，解釋了穿越時(shí)間的可能性。他說：“我們只需要一個(gè)足夠大的粒子加速器，就能像加速粒子那樣加速人類去做時(shí)間旅行。”
一個(gè)具有大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)功能的人類加速器將使乘客以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)。由于狹義相對(duì)論的影響，在機(jī)器外的人看來持續(xù)數(shù)年的一段時(shí)間，在加速的乘客看來只有幾天。當(dāng)他們離開大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的時(shí)候，他們將比我們其他人更年輕。
霍金實(shí)際上并沒有提議我們嘗試制造這樣一臺(tái)機(jī)器。但他指出了時(shí)間旅行是今天已經(jīng)發(fā)生的。例如，被稱為π介子的粒子通常是短壽命的;它們?cè)趦H僅百萬分之一秒后就會(huì)分解。但當(dāng)它們加速到接近光速時(shí)，它們的壽命會(huì)急劇延長。這些粒子似乎是在時(shí)間上運(yùn)動(dòng)，或者至少比其他粒子經(jīng)歷的時(shí)間要慢。




人造裝置記錄的最高溫度

是通過粒子加速器實(shí)現(xiàn)的





2012年，布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)創(chuàng)造了世界上最熱的人造溫度7.2萬億華氏度（約4萬億℃）的吉尼斯世界紀(jì)錄。但是位于長島的實(shí)驗(yàn)室做的不僅僅是加熱，它還產(chǎn)生了少量夸克--膠子等離子體，這種物質(zhì)被認(rèn)為主宰了宇宙最早的時(shí)刻。這種等離子體非常熱，它導(dǎo)致稱為夸克的基本粒子（通常存在于自然界中，只與其他夸克結(jié)合）彼此分離。
歐洲核子研究中心的科學(xué)家也在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中，以更高的溫度，創(chuàng)造了夸克--膠子等離子體。




大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的內(nèi)部比外層空間還要冷




為了在沒有阻力的情況下導(dǎo)電（超導(dǎo)），大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的電磁鐵被冷卻到低溫。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是世界上最大的低溫系統(tǒng)，它的工作溫度低于零下456.3華氏度（-235.7℃）。它是地球上最寒冷的地方之一，它甚至比外太空更冷，外層空間的溫度通常在零下454.9華氏度左右。




自然界的粒子加速器

比地球上
的任何裝置都要強(qiáng)大得多



我們可以在地球上建造一些令人印象深刻的粒子加速器，但當(dāng)談到實(shí)現(xiàn)高能量時(shí)，我們沒法與自然存在的粒子加速器相比。
迄今所觀察到的最大能量的宇宙射線是一個(gè)質(zhì)子加速到3億萬億電子伏的能量。我們星系中沒有已知的能量源足以引起這樣的加速。即使是恒星爆炸產(chǎn)生的沖擊波也沒有足夠的能力，雖然它可以使粒子比人造加速器更強(qiáng)勁地加速?？茖W(xué)家們?nèi)栽谘芯窟@種超高能宇宙射線的來源。




粒子加速器不僅加速粒子

它們也使粒子的質(zhì)量增大



正如愛因斯坦在他的相對(duì)論中所預(yù)言的那樣，沒有任何一個(gè)具有質(zhì)量的粒子能達(dá)到光速，大約每秒186,000英里（29.9337公里/秒）。無論一個(gè)物體的質(zhì)量增加了多少能量，它的速度都不能達(dá)到這個(gè)極限。
在現(xiàn)代加速器中，粒子被加速到非常接近光速的速度。例如，費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室的主注入器將質(zhì)子加速到光速的0.99997倍。當(dāng)粒子的速度越來越接近光速時(shí)，加速器就會(huì)越來越多地提高粒子的動(dòng)能。
因?yàn)椋鐞垡蛩固垢嬖V我們的，一個(gè)物體的能量等于它的質(zhì)量乘以光速的平方(E=mc2)，增加能量，實(shí)際上也增加了粒子的質(zhì)量。換句話說: 當(dāng)有更多的“E”時(shí)，一定會(huì)有更多的“m”。當(dāng)一個(gè)物體質(zhì)量接近但未達(dá)到光速時(shí)，它的有效質(zhì)量會(huì)越來越大。




第一個(gè)加速器的直徑小于5英寸

CERN的直徑大于5公里



1930年，27歲的物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·勞倫斯受挪威工程師羅爾夫·韋德的啟發(fā)，與研究生斯坦利·利文斯頓一起，在加州大學(xué)伯克利分校創(chuàng)建了第一個(gè)環(huán)形粒子加速器。它使氫離子在直徑小于5英寸的加速腔內(nèi)加速到80000電子伏的能量。
1931年，勞倫斯和利文斯頓開始研制11英寸的加速器。這臺(tái)機(jī)器成功地將質(zhì)子加速到100萬電子伏，利文斯頓通過電報(bào)向勞倫斯報(bào)告了這一事實(shí)，并補(bǔ)充了一句話：“Whoopee!（哇?。敝髣趥愃估^續(xù)制造了更大的加速器，并建立了勞倫斯伯克利和勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室。
自那以后，粒子加速器已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，創(chuàng)造出比先前想象的能量更大亮度更強(qiáng)的粒子束。歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)直徑超過5英里（周長17英里）。經(jīng)過2014年的升級(jí)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將能夠將質(zhì)子加速到6.5萬億電子伏（TeV）。




讓雪貂來清洗加速器部件




上世紀(jì)70年代，費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們雇傭了一只名叫費(fèi)利西亞的雪貂來清洗加速器部件。
從1971年到1999年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室是實(shí)驗(yàn)室高能物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分。為了更多地了解維系宇宙的作用力，那里的科學(xué)家研究了介子和質(zhì)子這兩種亞原子粒子。操作人員將通過一條長達(dá)數(shù)英里的地下束流線，將粒子束從加速器發(fā)送到介子實(shí)驗(yàn)室。
為了確保數(shù)百英尺長的真空管道的連接并在出束之前清除碎片，該實(shí)驗(yàn)室得到了一只名叫費(fèi)利西亞的雪貂的幫助。
雪貂喜歡鉆洞和爬洞，這使它們成為這項(xiàng)工作的完美物種。費(fèi)利西亞的任務(wù)是用一根繩子把浸過清洗液的抹布穿過長長的管道。
盡管費(fèi)利西亞的工作最終被一個(gè)特別設(shè)計(jì)的機(jī)器人接手，但它在施工過程中發(fā)揮了獨(dú)特而重要的作用。作為回報(bào)，費(fèi)利西亞享有包括雞肝、魚頭和漢堡包之類在內(nèi)的穩(wěn)定飲食。



粒子加速器出現(xiàn)在想不到的地方




科學(xué)家們傾向于在地下建造大型粒子加速器。這可以保護(hù)它們不受撞擊和破壞，但也會(huì)讓它們更難被發(fā)現(xiàn)。
例如，在北加州280號(hào)州際公路上行駛的司機(jī)可能沒有注意到，SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的主加速器就在他們的車輪下方運(yùn)行。
瑞士和法國鄉(xiāng)村的居民住在世界上能量最高的粒子對(duì)撞機(jī)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的上方。
幾十年來，康奈爾大學(xué)的球隊(duì)一直在距離康奈爾電子存儲(chǔ)環(huán)(CESR) 40英尺的羅賓遜校友球場上進(jìn)行足球、橄欖球和長曲棍球賽?？茖W(xué)家們使用環(huán)形粒子加速器來研究致密的粒子束，并為生物學(xué)、材料科學(xué)和物理學(xué)實(shí)驗(yàn)提供X射線。



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