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人类创造的极限速度,仅比光慢3.6毫米/秒!加速器如何加速粒子

2021-10-11 16:46     来源:李论科学     粒子加速器对撞机
在我们生活的世界中有一个速度极限,那就是真空中光传播的速度,当人类在上世纪知道了这个基本原理之后,就一直试图想接近,甚至想超过这个极限速度。

我们知道真空中的光速为每秒2亿9千9百7十9万2千4百5十8米,也就是我们常说的C,这是宇宙中所有无质量粒子天生所具有的速度,除了光子以外,还有8个胶子,它们是传递强力的作用粒子,当然还有引力子,它们生下来都在以光速运动。


 

不过可惜的是,构成世界万物的粒子并不是上面的这些玻色子,而是有质量的费米子,只要有质量,狭义相对论就限制它不能达到光速,更不能超过光速,原因也很简单,因为物理学不允许破坏现实的因果性,所以我们必须坚持光速极限这个基本原理。

话虽这么说,但是我们还是想让有质量的费米子打破光速极限!相信你曾经有听过中微子超光速的报道,中微子的自旋是1/2,半整数,所以它是费米子,和电子一样是轻子家族中的一员,是我们目前所知质量最低的一个基本粒子,就连宇宙第二轻的电子比中微子都重了数十万倍。

所以当时中微子超光速的报道一出来,震惊科学界,因为人们觉得中微子很小,它可能还真就超光速了,但后来发现这完全是一场热闹,是我们的实验数据搞差了。


 

不过人类一直以来还是没有放弃过超光速的想法,虽然我们在自然界找不到超光速粒子,但我们在实验室还有一个强大的工具,粒子加速器,顾名思义,就是提高粒子速度或者是能量的一种设备。

其实粒子加速器建造的目的并不是为了验证宇宙的速度极限,也不是为了打破速度极限,而是为了了解物质结构,寻找新粒子的大型设备,不过这个实验的过程也是我们人类创造极限速度的场所。那问题是我们是怎样通过加速器加速粒子的?

粒子加速器是怎样加速粒子的?


 

加速器也叫对撞机,最早的对撞机模型可以追溯到上世纪在曼彻斯特工作的卢瑟福,时间大约是1907年,这一年它用α粒子撞击金箔,观察了大量的α粒子被金原子散射以后的偏转的角度,通过这个实验,他知道了原子的质量绝大部分都集中在一个很小的核心里面,电子围绕这个核心运转,这是人类对原子结构最重要的一次探查。


 

那么作为探针的α粒子是怎么来的?当时卢瑟福使用的α源是放射性镭元素,镭可以自然的释放出α粒子,速度大约为2.5×10米/秒,约为光速的1/10,那么当时卢瑟福就使用这种速度的α粒子,就了解了原子的内部结构。

但是随着科学的发展,人们想要了解原子内部的粒子结构,甚至是想知道这些粒子它本身内部的结构,那要怎么办?

很简单,现在有一辆汽车,你想要知道这个汽车内部的组成成分,只需要把它拆开看一下就行了,但是亚原子粒子很小,这么细的活我们干不了,所以有一个简单粗暴的办法就是把它撞碎。跟砸核桃一样,想看到里面的东西,就要把它敲开就可以了。

但是由放射性原子释放出来的粒子,它的速度不行,撞不开原子核,更不可能把组成原子核的粒子撞碎,所以人们就想有没有什么办法能给带电粒子提提速?所以粒子加速器就出现了。

那如何给带电粒子提速呢?这很简单,因为它带电,所以我们只需要给他提供一个电场就可以了,那电场又怎么来?也很简单,现在你把两个平行的金属板接到一个正负极上,也就是给他施加一个电压,那么在金属板之间就会创造一个均匀的电场。

现在我们把一个带电粒子放到电场中,带电粒子就会受到电场力的作用产生一个加速度,那电场力的大小就等于带电粒子的电荷乘以电场强度,电场强度可以有电压除以两个金属板之间的距离得出,所以我们就可以很简单的算出一个带电粒子在电场中的加速情况。

我们知道力除了大小还有方向,因为我们规定电场的方向,或者说是电场线的方向是从正电荷向外然后到负电荷,所以带正电粒子在电场中的受力方向就跟电场方向是一样的,那带负电的肯定就和电场方向相反了。

现在我们知道了如何给带电粒子提速,那接下来的问题是具体要怎样操作?你看,要想让粒子在加速器中获得最大的能量,就需要让他多次经过电场给他提速,这样的话它获得加速的时间就长一些,所以它的速度就会更快。

那如果我们现在把粒子加速器设计成一条直线的话,可以肯定的是粒子获得加速的机会就会非常有限,这样的设计肯定不合理。

那有没有这样一种可能,我们把粒子的轨迹限制在一个环形的跑道上,这样它就能多次地经过环形轨道上的电场,获得更多加速的机会。

实际情况还真是这样的,这样设计叫回旋加速器,目前欧洲核子中心的大型强子对撞机就是这种环形跑道。

但问题是,我们要想把粒子的轨迹掰弯就需要给它施加一个和运动方向垂直的力,而且随着粒子的加速,这个力还需要不断地调整以适应粒子的速度,这样才能保证虽然粒子的速度在增加,但它始终在一个固定的圆周上运动,而不至于撞到加速器的管道壁上。

那有没有一种力,来满足我们的要求?有,就是磁场力,静止的带电粒子在磁场中不受力,但只要带电粒子运动起来,并且它的运动方向和磁场方向垂直的话,就会受到和运动方向垂直的、且最大的磁场力。

在给定磁场中,磁场力的大小就和带电粒子的电荷、以及运动速度成正比,所以只要给加速器圆环中施加一个磁场,就可以把带电粒子掰弯,让他做环形运动。

问题是,这个磁场它需要适时变化,所以固定的磁场是不行的,必须使用电磁体来提供磁约束。


电磁体产生的磁场强度跟电流是成正比的,所以我们可以调节电流大小,来控制磁场强度去适应粒子速度的变化,保证粒子不会撞到加速器的管壁上。那么为了磁场强度足够大,所以在加速器中我们使用的超导磁体。

我们把电场加速和磁约束结合在一起,这就是粒子加速器,加速粒子的基本原理了。

我们接着说,人类的速度极限

美国费米实验室的质子和反质子加速器,它的环形轨道周长6.26公里,它是在一个方向上的真空管道中加速粒子,在相反的方向上的真空管道中加速反粒子。

然后让它俩在探测器中碰撞,看会产生哪些新的亚原子粒子?当然通过费米实验室的加速器我们发现了顶夸克、精确测量了W玻色子的质量,以及发现了陶中微子,同时创造的速度极限是,光速的99.999956%。

目前欧洲核子研究中心的大型强子对撞机保持着粒子最高能量的记录,其加速质子的速度最高达到了每秒2亿9千9百7十9万2千4百5十5米,99.9999991%C,比光速只慢了3米/秒。

但这个速度并不是我们创造得最快的粒子!

LEP大型正负电子对撞机,虽然它的能量只有LHC能量的1/33,但一个质子的质量大约是一个电子的2000倍!所以在LEP中,电子的速度达到了每秒2亿9千9百7十9万2千4百5十7.9964米的最高速度,99.99999988%C,比光速慢了3.6毫米/秒!因此,构成我们世界的所有质子和电子,依然受到狭义相对论的约束。

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