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2019年6月5日 星期三

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行業(yè)要聞
關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：中國核學會
以下文章來源于費米實驗室/SLAC聯(lián)合出版物《symmetry》
歐洲核子中心（CERN）實驗室的大型強子對撞機已經(jīng)進入了流行文化：喜劇演員喬恩·斯圖爾特在《每日秀》上對它開玩笑，《生活大爆炸》中的人物謝爾頓·庫珀的夢想，《天使與魔鬼》中的惡棍從這里偷走了虛構的反物質。
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)全球實驗室和機構的科學家的意見，Symmetry整理了一份您可能不了解的關于粒子加速器的10件事供分享。
歐洲大型強子對撞機




全世界超過3萬臺

加速器在運行




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；殺滅細菌以預防預防食源性疾病; 開發(fā)更好的材料來生產(chǎn)更有效的尿布和收縮包裝；幫助科學家改進燃料注入，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），設計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國家加速器實驗室的直線加速器是地球上最長的直線加速器。
SLAC的速調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力的組件所在的建筑。它是世界上最長的現(xiàn)代建筑之一?？偟膩碚f，它的長度略小于2英里，實驗室員工每年都會沿著它舉行賽跑活動。




霍金說，粒子加速器

是我們離時間機器最近的東西




2010年，物理學家斯蒂芬·霍金為英國《每日郵報》撰寫了一篇文章，解釋了穿越時間的可能性。他說：“我們只需要一個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間旅行。”
一個具有大型強子對撞機功能的人類加速器將使乘客以接近光速的速度運動。由于狹義相對論的影響，在機器外的人看來持續(xù)數(shù)年的一段時間，在加速的乘客看來只有幾天。當他們離開大型強子對撞機的時候，他們將比我們其他人更年輕。
霍金實際上并沒有提議我們嘗試制造這樣一臺機器。但他指出了時間旅行是今天已經(jīng)發(fā)生的。例如，被稱為π介子的粒子通常是短壽命的;它們在僅僅百萬分之一秒后就會分解。但當它們加速到接近光速時，它們的壽命會急劇延長。這些粒子似乎是在時間上運動，或者至少比其他粒子經(jīng)歷的時間要慢。




人造裝置記錄的最高溫度

是通過粒子加速器實現(xiàn)的





2012年，布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機創(chuàng)造了世界上最熱的人造溫度7.2萬億華氏度（約4萬億℃）的吉尼斯世界紀錄。但是位于長島的實驗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，這種物質被認為主宰了宇宙最早的時刻。這種等離子體非常熱，它導致稱為夸克的基本粒子（通常存在于自然界中，只與其他夸克結合）彼此分離。
歐洲核子研究中心的科學家也在大型強子對撞機中，以更高的溫度，創(chuàng)造了夸克--膠子等離子體。




大型強子對撞機的內部比外層空間還要冷




為了在沒有阻力的情況下導電（超導），大型強子對撞機的電磁鐵被冷卻到低溫。大型強子對撞機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，但當談到實現(xiàn)高能量時，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質子加速到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勁地加速?？茖W家們仍在研究這種超高能宇宙射線的來源。




粒子加速器不僅加速粒子

它們也使粒子的質量增大



正如愛因斯坦在他的相對論中所預言的那樣，沒有任何一個具有質量的粒子能達到光速，大約每秒186,000英里（29.9337公里/秒）。無論一個物體的質量增加了多少能量，它的速度都不能達到這個極限。
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，費米國家加速器實驗室的主注入器將質子加速到光速的0.99997倍。當粒子的速度越來越接近光速時，加速器就會越來越多地提高粒子的動能。
因為，正如愛因斯坦告訴我們的，一個物體的能量等于它的質量乘以光速的平方(E=mc2)，增加能量，實際上也增加了粒子的質量。換句話說: 當有更多的“E”時，一定會有更多的“m”。當一個物體質量接近但未達到光速時，它的有效質量會越來越大。




第一個加速器的直徑小于5英寸

CERN的直徑大于5公里



1930年，27歲的物理學家歐內斯特·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，在加州大學伯克利分校創(chuàng)建了第一個環(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。這臺機器成功地將質子加速到100萬電子伏，利文斯頓通過電報向勞倫斯報告了這一事實，并補充了一句話：“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驗室。
自那以后，粒子加速器已經(jīng)取得了長足的進步，創(chuàng)造出比先前想象的能量更大亮度更強的粒子束。歐洲核子研究中心的大型強子對撞機直徑超過5英里（周長17英里）。經(jīng)過2014年的升級，大型強子對撞機將能夠將質子加速到6.5萬億電子伏（TeV）。




讓雪貂來清洗加速器部件




上世紀70年代，費米國家加速器實驗室的科學家們雇傭了一只名叫費利西亞的雪貂來清洗加速器部件。
從1971年到1999年，費米實驗室是實驗室高能物理實驗的重要組成部分。為了更多地了解維系宇宙的作用力，那里的科學家研究了介子和質子這兩種亞原子粒子。操作人員將通過一條長達數(shù)英里的地下束流線，將粒子束從加速器發(fā)送到介子實驗室。
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，該實驗室得到了一只名叫費利西亞的雪貂的幫助。
雪貂喜歡鉆洞和爬洞，這使它們成為這項工作的完美物種。費利西亞的任務是用一根繩子把浸過清洗液的抹布穿過長長的管道。
盡管費利西亞的工作最終被一個特別設計的機器人接手，但它在施工過程中發(fā)揮了獨特而重要的作用。作為回報，費利西亞享有包括雞肝、魚頭和漢堡包之類在內的穩(wěn)定飲食。



粒子加速器出現(xiàn)在想不到的地方




科學家們傾向于在地下建造大型粒子加速器。這可以保護它們不受撞擊和破壞，但也會讓它們更難被發(fā)現(xiàn)。
例如，在北加州280號州際公路上行駛的司機可能沒有注意到，SLAC國家加速器實驗室的主加速器就在他們的車輪下方運行。
瑞士和法國鄉(xiāng)村的居民住在世界上能量最高的粒子對撞機，大型強子對撞機的上方。
幾十年來，康奈爾大學的球隊一直在距離康奈爾電子存儲環(huán)(CESR) 40英尺的羅賓遜校友球場上進行足球、橄欖球和長曲棍球賽?？茖W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、材料科學和物理學實驗提供X射線。



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