雪貂:我也没想到能接到粒⼦加速器这么⼤的活

来源: 科学⼤院

发布日期: 2022-09-11 07:00:10

本文介绍了关于粒⼦加速器的10个不为人知的秘密,包括其广泛的应用、超长的直线加速器、与时间旅⾏的关系、创造的最高温度、极低的内部温度、自然界中的高能粒⼦加速、粒⼦质量的增加、最早的加速器发展历史、雪貂在加速器维护中的作用以及加速器在日常生活中的隐蔽存在。

尽管粒⼦加速器的知名度不断提⾼,但它仍有许多秘密可供分享。今天⼤院er为您分享的就是,您可能不了解的关于粒⼦加速器的10件事。

全世界超过3万台加速器在运⾏。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⻝源性疾病;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,以提⾼⻋辆引擎效率等等。世界上最⻓的现代建筑之⼀是粒⼦加速器直线加速器(简称linacs),设计⽤于将⼀束粒⼦沿直线加速的装置。

通常,直线加速器越⻓,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⻓的直线加速器。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。它是世界上最⻓的现代建筑之⼀。总的来说,它的⻓度略⼩于2英⾥,实验室员⼯每年都会沿着它举⾏赛跑活动。霍⾦说,粒⼦加速器是我们离时间机器最近的东⻄。

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。

人造装置记录的最⾼温度是通过粒⼦加速器实现的。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。但是位于⻓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。

⼤型强⼦对撞机的内部⽐外层空间还要冷。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。

⾃然界的粒⼦加速器⽐地球上的任何装置都要强⼤得多。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。粒⼦加速器不仅加速粒⼦,它们也使粒⼦的质量增⼤。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·⻙德的启发,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⻓⾜的进步,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(周⻓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)。让雪貂来清洗加速器部件。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⻄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⻓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。为了确保数百英尺⻓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⻄亚的雪貂的帮助。雪貂喜欢钻洞和爬洞,这使它们成为这项⼯作的完美物种。费利⻄亚的任务是⽤⼀根绳⼦把浸过清洗液的抹布穿过⻓⻓的管道。尽管费利⻄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,费利⻄亚享有包括鸡肝、⻥头和汉堡包之类在内的稳定饮⻝。粒⼦加速器出现在想不到的地⽅。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⻋轮下⽅运⾏。瑞⼠和法国乡村的居⺠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、橄榄球和⻓曲棍球赛。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。

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