人类能把粒子加速到多快?

作者: 子乾

来源: 中国科普博览

发布日期: 2022-06-13 07:00:25

本文讨论了人类如何通过粒子加速器和粒子对撞机将粒子加速到接近光速的程度,并分析了这些实验的科学意义和物理限制。

天下武功,唯快不破!宇宙中最快的速度是什么?是光速,大约30万公里每秒。为了研究宇宙的起源、物质的构成,人类建造了粒子加速器和粒子对撞机,把极小的粒子加速到非常快的速度,接近光速,然后让它们迎头相撞,粒子分崩离析,飞向四面八方。收集这些四散而逃的粒子,分析它们的行为,就可以反推出对撞粒子的性质了。

一个粒子的能量与速度的关系为:m是粒子的静质量,c是光速,v是粒子的速度,可以看到,如果一个静质量不为零的粒子,如电子、质子、原子核等等,速度达到了光速,那么它的能量也就会无穷大,这显然是不可能的。当然,虽然不能达到光速,但是可以不断接近光速,只要能提供足够的能量,那么粒子的速度就可以足够接近光速。

目前世界上最大的粒子对撞机,是位于欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC),它加速的是质子,也就是氢原子核。能多快呢?最快能达到光速的99.9999991%,跟光速已经非常接近了!那加速电子呢?位于美国斯坦福的直线加速器(SLAC),能把电子加速到光速的99.999999995%。

除了电子和质子,还有一种加速器,加速的是各种原子的原子核,原子核可比单纯的一个质子或者电子重多了,比如说,位于美国布鲁克海文国家实验室的相对论性重离子对撞机(RHIC),就能把金元素的原子核加速到光速的99.995%,虽然不及上述质子和电子的速度,但也已经非常快了。

在加速这些粒子之后,自然会令它们对撞,那么两个原子核是以什么姿态对撞呢?相对论性重离子对撞模拟图显示,一个球状的粒子就变成一个薄饼了!不过这并不是极限,更大更长的加速器,往往意味着更高的能量和更快的速度。

最近几年,中国也在推一个环形正负电子对撞机(CEPC),这是环形的加速器,目标能量125GeV,电子速度为光速的99.99999999916%,也是11个9!

除此之外,按照计划,如果一切顺利的话,CEPC后期可能会升级成一个超级质子-质子对撞机(SppC),其中的二期工程预期期望把质子加速到75TeV,比目前LHC的7TeV高了不少,届时质子的速度能到光速的99.999999992%,有10个9,这速度,确实够快了!

粒子的能量不是越大越好,速度也不是越快越好,这取决于研究目标。比如未来的重离子对撞机并不是要增大对撞能量,而是降低对撞能量:高能对撞相对容易,而低能对撞则难点重重。

实际上,这种担忧是杞人忧天。粒子的能量高,是指单粒子的能量高,但是对撞机里的总粒子数,相对于宏观物质所包含的粒子数来说,其实是非常少的,所以总能量也很小,你吹一口气的总能量甚至都比对撞机里的粒子总能量高。

而且,人类加速粒子达到的能量看着挺高,但是放眼宇宙,那也是个弟弟啊。1991年的时候,人们探测到了一个来自宇宙的质子,其速度是为光速的99.99999999999999999999951%,小数点后一共23个9,比目前人类能达到的速度和能量,不知道高到哪里去!

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