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加速器:它们粉碎原子,不是么?

今天要讲的内容是接着昨天《如何观察这个世界》最后提到的加速器。


加速器为物理学家解决了两个难题。第一,由于所有的粒子行为都像波一样,物理学家就是用加速器来增加粒子的动量,使粒子的波长足够小到可以穿进原子内部。第二,近光速运动粒子的能量可以用来产生物理学家想要研究的大质量粒子。



那么加速器是如何运作的呢?


基本上,一个加速器取得一个粒子,利用电磁场来加速它,然后把它轰向一个靶或者其它粒子。在碰撞点附近设有许多的探测器,以便记录这个事件的发生。那物理学家又是如何取得他们想要研究的粒子呢?


如何得到用来加速的粒子?


电子:加热金属,使电子溢出(如下图)。家里的电视就像是阴极射线管,就是利用这种机制。




质子:可以轻易地由游离氢得到。


反粒子:为了得到反粒子,首先要有感恩歌粒子撞击靶。然后,经由虚光子或胶子产生粒子和反粒子对。最后利用磁场可将它们分离。


加速粒子


要得到粒子非常简单,物理学家加热金属得到电子,或出去氢的电子得到质子等等。


通过强大的电场来吸引或是排斥粒子,加速器使带电粒子加速。然后将电场移到加速器下方,使粒子跟着移动。


如下方的图片显示,图最上的箭头表示正在传播的电磁波迫使粒子跟随着它。靠近电磁波的波峰的带正电粒子(浅蓝色小球)受到最大的向前力,那些较靠近中央的粒子受到较少的力(绿色箭头的长短代表受到力的强度),结果是粒子会随着电磁波一起运动。




在直线加速器中,电场是由移动的电磁波产生。当电磁波集中一簇粒子,在后面的粒子受力最大,而在前面的受力较小。于是,这些赶在电磁波前面的粒子就好像一阵波浪一样。


加速器的设计


加速器的设计有几种不同的方法,每一种都有各自的优点和缺点。下面列出主要的加速器设计:


加速器可以分成两种碰撞方式

  1. 固定靶:把粒子射向固定的靶。

  2. 粒子束对撞:两束俩字互相撞击。


加速器有两种形状

  1. 直线加速器: 线性加速器,粒子由某端进去再由另一端出来。

  2. 同步加速器:建造成环形的加速器,粒子会在里面一直转圈圈。


固定靶实验


在粒子固定靶的实验中,一个带电粒子,如电子或质子,被电场加速后,撞击一个固定靶,靶可以是固体、气体或液体。探测器可由产生的粒子算出电荷、动量、质量等粒子性质。


《从LHC的最新实验结果,回到卢瑟福的年代》中我们提到了卢瑟福的金箔实验就是一个例子。在此实验中,辐射源提供高能的α粒子,使之撞击固定的金箔靶。而探测器则是镀上一层硫化锌的屏幕。




粒子束对撞实验


在粒子束碰撞实验中,两束高能粒子互相穿越、碰撞。这样安排的好处就是两束粒子都具有很大的动能,所以当他们发生碰撞的时候,产生的粒子就很有可能比粒子固定靶实验所产生的粒子重(就同样的能量而言)。因为我们使粒子具有很大的动能,所以这些粒子的波长短,而且可以作为很好的探子。下图是两个金粒子束对撞的结果。




线性还是环形加速器?


所有的加速器不是线性就是环形的,两者的差别在于:在直线加速器中,粒子就好像从枪中射出的子弹;而在形加速器中,粒子快速的转圈圈,而且每转一圈就会受到一些推力。两者都是借着电场波加速粒子的。


在固定靶实验中会使用直线加速器,它可使粒子进入形加速器,或者是直线对撞。


形加速器可用来提供粒子束对撞实验所需的粒子束,或者是将粒子束抽出形轨道,用来进行粒子固定靶实验。


形加速器中有强大的磁铁迫使粒子转弯,所以粒子一直转圈圈,无法逃脱加速器。那么加速器中的磁铁是如何使粒子转圈圈呢?


为了使任何物体转圈圈,必须有一个朝向圆心的恒力。在形加速器中,电场使带电粒子加速,而强大的磁铁提供向心力,使粒子转圈圈。




磁场的存在并不会增加或减少粒子的能量,只会使粒子的路径沿着加速器的弧度行进。磁场也用来指引带电粒子束朝向靶和集中粒子束,就像光学透镜聚光一样。


加速器设计的优劣


环形加速器优于直线加速器的地方在于粒子在环形加速器(同步)中绕行很多次,每绕行一圈就会获得一些能量。因此,环形加速器可以不需要很长的长度就能提供具有非常高能量的粒子。此外,粒子绕行很多次表示在粒子束相交的地方,粒子有很多机会发生碰撞。


另一方面,因为直线加速器不需要很大的磁铁来使粒子绕圈圈,所以直线加速器的制造方式比环形加速器容易的多。而且,为了使粒子获得足够搞的能量,环形加速器也需要很大的半径,制造费用相对而言也就高出很多。


物理学家还顾虑另一点,当一个带电粒子被加速,它会辐射出能量。在高能的状态下,环形加速器的辐射损失的能量比直线加速器大。除此之外,加速质量轻的电子能量辐射的比质量大的质子更快,因此电子和反电子只能够在直线加速器或具有大半径的环形加速器内获得高能量。



事件


加速器给粒子足够高的能量后,粒子不是用来撞击靶,就是彼此互相对撞。每一次的碰撞都被称为事件。物理学家希望能分离每一个事件,从中收集数据,观测事件中的粒子是否遵守他们想要验证的理论。


因为碰撞后会产生很多粒子,所以每个事件都是非常复杂的。大部分的粒子寿命都很短,以至于在衰变成其他粒子前只移动了非常短的距离,并没有留下任何可供侦测的轨迹。


如果物理学家从来没有记录过那些重要粒子的存在,那他们是如何判断发生了什么呢?


啊哦~~小编想偷懒一下,把探测器留到下篇再讲~


注:本文的标题是诺贝尔得住莱德曼在《上帝粒子:假如宇宙是答案,那么什么是问题?》一书中的一个章节。以幽默诙谐的语言深入探讨了什么是物质的基本结构?这个世界是怎么运作的?非常推荐的一本书。

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来自:我爱李静图书馆  > 物理
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