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关于粒子加速器你可能不知道的十件事
发布日期：2022-03-14 发布：中国核学会
以下文章来源于费米实验室/SLAC联合出版物《symmetry》欧洲核子中心（CERN）实验室的大型强子对撞机已经进入了流行文化：喜剧演员乔恩·斯图尔特在《每日秀》上对它开玩笑，《生活大爆炸》中的人物谢尔顿·库珀的梦想，《天使与魔鬼》中的恶棍从这里偷走了虚构的反物质。尽管知名度不断提高，但粒子加速器仍有许多秘密可供分享。根据全球实验室和机构的科学家的意见，Symmetry整理了一份您可能不了解的关于粒子加速器的10件事供分享。加速器遍布世界各地，做着各种各样的工作。它们最为人所知是在粒子物理研究中的作用，但它们的其他才能包括：产生可以破坏肿瘤的电子束来治疗癌症；杀灭细菌以预防预防食源性疾病; 开发更好的材料来生产更有效的尿布和收缩包装；帮助科学家改进燃料注入，以提高车辆引擎效率等等。直线加速器（简称linacs），设计用于将一束粒子沿直线加速的装置。通常，直线加速器越长，粒子碰撞就越猛烈。位于旧金山附近的SLAC国家加速器实验室的直线加速器是地球上最长的直线加速器。SLAC的速调管走廊坐落在加速器的顶部地面上，这是一座为加速器提供动力的组件所在的建筑。它是世界上最长的现代建筑之一。总的来说，它的长度略小于2英里，实验室员工每年都会沿着它举行赛跑活动。2010年，物理学家斯蒂芬·霍金为英国《每日邮报》撰写了一篇文章，解释了穿越时间的可能性。他说：“我们只需要一个足够大的粒子加速器，就能像加速粒子那样加速人类去做时间旅行。”一个具有大型强子对撞机功能的人类加速器将使乘客以接近光速的速度运动。由于狭义相对论的影响，在机器外的人看来持续数年的一段时间，在加速的乘客看来只有几天。当他们离开大型强子对撞机的时候，他们将比我们其他人更年轻。霍金实际上并没有提议我们尝试制造这样一台机器。但他指出了时间旅行是今天已经发生的。例如，被称为π介子的粒子通常是短寿命的;它们在仅仅百万分之一秒后就会分解。但当它们加速到接近光速时，它们的寿命会急剧延长。这些粒子似乎是在时间上运动，或者至少比其他粒子经历的时间要慢。2012年，布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机创造了世界上最热的人造温度7.2万亿华氏度（约4万亿℃）的吉尼斯世界纪录。但是位于长岛的实验室做的不仅仅是加热，它还产生了少量夸克--胶子等离子体，这种物质被认为主宰了宇宙最早的时刻。这种等离子体非常热，它导致称为夸克的基本粒子（通常存在于自然界中，只与其他夸克结合）彼此分离。欧洲核子研究中心的科学家也在大型强子对撞机中，以更高的温度，创造了夸克--胶子等离子体。为了在没有阻力的情况下导电（超导），大型强子对撞机的电磁铁被冷却到低温。大型强子对撞机是世界上最大的低温系统，它的工作温度低于零下456.3华氏度（-235.7℃）。它是地球上最寒冷的地方之一，它甚至比外太空更冷，外层空间的温度通常在零下454.9华氏度左右。我们可以在地球上建造一些令人印象深刻的粒子加速器，但当谈到实现高能量时，我们没法与自然存在的粒子加速器相比。迄今所观察到的最大能量的宇宙射线是一个质子加速到3亿万亿电子伏的能量。我们星系中没有已知的能量源足以引起这样的加速。即使是恒星爆炸产生的冲击波也没有足够的能力，虽然它可以使粒子比人造加速器更强劲地加速。科学家们仍在研究这种超高能宇宙射线的来源。正如爱因斯坦在他的相对论中所预言的那样，没有任何一个具有质量的粒子能达到光速，大约每秒186,000英里（29.9337公里/秒）。无论一个物体的质量增加了多少能量，它的速度都不能达到这个极限。在现代加速器中，粒子被加速到非常接近光速的速度。例如，费米国家加速器实验室的主注入器将质子加速到光速的0.99997倍。当粒子的速度越来越接近光速时，加速器就会越来越多地提高粒子的动能。因为，正如爱因斯坦告诉我们的，一个物体的能量等于它的质量乘以光速的平方(E=mc2)，增加能量，实际上也增加了粒子的质量。换句话说: 当有更多的“E”时，一定会有更多的“m”。当一个物体质量接近但未达到光速时，它的有效质量会越来越大。第一个加速器的直径小于5英寸
CERN的直径大于5公里
1930年，27岁的物理学家欧内斯特·劳伦斯受挪威工程师罗尔夫·韦德的启发，与研究生斯坦利·利文斯顿一起，在加州大学伯克利分校创建了第一个环形粒子加速器。它使氢离子在直径小于5英寸的加速腔内加速到80000电子伏的能量。1931年，劳伦斯和利文斯顿开始研制11英寸的加速器。这台机器成功地将质子加速到100万电子伏，利文斯顿通过电报向劳伦斯报告了这一事实，并补充了一句话：“Whoopee!（哇！）”之后劳伦斯继续制造了更大的加速器，并建立了劳伦斯伯克利和劳伦斯利弗莫尔实验室。自那以后，粒子加速器已经取得了长足的进步，创造出比先前想象的能量更大亮度更强的粒子束。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机直径超过5英里（周长17英里）。经过2014年的升级，大型强子对撞机将能够将质子加速到6.5万亿电子伏（TeV）。上世纪70年代，费米国家加速器实验室的科学家们雇佣了一只名叫费利西亚的雪貂来清洗加速器部件。从1971年到1999年，费米实验室是实验室高能物理实验的重要组成部分。为了更多地了解维系宇宙的作用力，那里的科学家研究了介子和质子这两种亚原子粒子。操作人员将通过一条长达数英里的地下束流线，将粒子束从加速器发送到介子实验室。为了确保数百英尺长的真空管道的连接并在出束之前清除碎片，该实验室得到了一只名叫费利西亚的雪貂的帮助。雪貂喜欢钻洞和爬洞，这使它们成为这项工作的完美物种。费利西亚的任务是用一根绳子把浸过清洗液的抹布穿过长长的管道。尽管费利西亚的工作最终被一个特别设计的机器人接手，但它在施工过程中发挥了独特而重要的作用。作为回报，费利西亚享有包括鸡肝、鱼头和汉堡包之类在内的稳定饮食。科学家们倾向于在地下建造大型粒子加速器。这可以保护它们不受撞击和破坏，但也会让它们更难被发现。例如，在北加州280号州际公路上行驶的司机可能没有注意到，SLAC国家加速器实验室的主加速器就在他们的车轮下方运行。瑞士和法国乡村的居民住在世界上能量最高的粒子对撞机，大型强子对撞机的上方。几十年来，康奈尔大学的球队一直在距离康奈尔电子存储环(CESR) 40英尺的罗宾逊校友球场上进行足球、橄榄球和长曲棍球赛。科学家们使用环形粒子加速器来研究致密的粒子束，并为生物学、材料科学和物理学实验提供X射线。
