03.04 粒子对撞机的作用是什么?

蒲公英的约定数


很简单,就是想采用“高速对撞”的方法,来“打碎粒子”,看看“基本粒子”是由什么组成的。初衷是非常简单的。

后来人们认为,如果只有“一束粒子被加速”,就有一半的动能浪费在“质心运动”上了,而“对心运动的质心是不动的”,所以“对撞”是可以最大限度的利用了“加速器”。

可是,无论如何提高粒子能量,都无法得到“粒子碎片”(不管是质子对撞还是电子对撞)。大家是否觉得很奇怪?这“粒子碰撞”出来总要“有东西”吧?

确实“有东西”,大量的“产物”,是除了原来的粒子之外的“一对正反粒子”。例如“高能电子对撞”,产生的是“三个电子加一个正电子”。你总不能下结论说:“两个电子是由三个电子加一个正电子组成的”吧?这太可笑了。

不是还有许多“发现”吗?确实是这样,但那都是“小概率事件”。人类发明了许多“探测方法”,目的就是把这样的“小概率事件”挑选出来,加以分析,再进行“推论”。

但就是这样的“小概率事件”,人类也没有找到“粒子碎片”,不管是质子的,还是电子的。

所以得出“夸克幽禁”理论,以及“电子没有内部结构”(因为没有测量到电子的“激发态”,而高能质子对撞会产生质子激发态的)的结论。

通过对这些“小概率事件”的分析,人们还是取得了“一系列进展”。具体情况,大家自己分析去吧。

所以这个“高能对撞机”,还是让外国去建造吧,中国人去用就行了。这属于“基础研究”,不可能“保密”的。除非“对撞机”的主要设备都可以完全国产化。顺便说一句,东莞散裂中子源上的“高能加速器”,其中的核心设备(例如超导加速腔),都是进口的。


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粒子对撞机,是一种将微观粒子加速对撞的高能物理专业装置。它可以帮助物理学家探索、发现和量化粒子。它最基本的作用是在高能加速器中积累并加速粒子流,达到一定强度及能量时使它们对撞,以产生实验预期的足够高的反应能量。

对撞机可以利用一种特殊电磁场将粒子加速到接近光速的极大速度,去轰击其他粒子,打碎本来难以分割的微小粒子,以研究其结构性质和击碎效应。粒子可达到的能量级400GeV,甚至更高。
作为基础学科的研究设施,对撞机在高能物理学领域应用广泛。今天我们来聊聊粒子对撞机在探索宇宙物质起源的天文物理中的作用。

20世纪下半叶,物理学家已经知晓了宇宙膨胀的观测结果和大爆炸理论,他们对宇宙起源时比原子更小的亚原子粒子怀有兴趣。如果大爆炸成立,那必须证明存在一种途径,使得一个点上发生的大爆炸能产生今天宇宙中所有的物质。

如果粒子对撞机能揭示物质的真实性质,就可以由此发现最基本的物质是怎样产生于大爆炸之中的。反之,如果实验显示大爆炸中不可能产生最基本的物质,那么大爆炸理论也就不能成立。

现代的粒子对撞机非常大。例如,设在瑞士的欧洲联合核子物理中心CERN(又名欧洲粒子物理实验室),它的大型强子对撞机(LHC,Large Hadron Collider )是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器。它位于地下的隧道加速环的长度达17英里(约27公里),是由34个国家的大学及实验室合作兴建的。
粒子对撞机可以把数以百万计的粒子加速至光速的99.999%,粒子流每秒钟在周长27公里的加速环内狂飙11245圈。实验发现的粒子碰撞的过程径迹,是探索宇宙起源最前沿的粒子对撞奇观。重要的实验成果还有b介子、W+/-、Z。等粒子的发现。


科学家设想,只要粒子发生碎裂或衰变,就会伴随能量转变和释放,那么对撞机能够证明这一点吗?

首先,粒子对撞实验中,科学家精确地测量到了电子与原子碰撞中有多少能量释放出来。表明能量和质量在一定方式下可以相互转换,也测到了接近光速时的粒子所增加的质量。实验得到的结果,再次验证了爱因斯坦狭义相对论的准确性,即E=mc^2。质能可以相互转换。

其次,在大功率对撞机上科学家已经能短暂地达到当初大爆炸1秒钟之内的温度,此刻的碰撞所发生的事实是:在极高温下,碰撞后的粒子径迹出现了极短暂的滞后时差,即碰撞后先产生纯粹的能量,而后再在这些能量中才产生了粒子径迹。这就是物质最初产生的由来。这个实验得到的解释,与其他所有已知的大爆炸存在的证据都是一致的,也与宇宙起始于一次大爆炸的数学模型一致。大爆炸理论又一次获得实验证据的支持。


研究团队反复的粒子对撞实验结果均显示:在粒子对撞机中已经明白无误地观察并记录到,粒子可以变为能量,而能量也可以变为粒子。相对于所有的物质,能量更是最基本的。而大爆炸中产生的足够多的剩余粒子总量形成了如今宇宙的全部物质。

这就是粒子对撞机给我们的答案。从这个意义上说,宇宙并非“无中生有”,它来自既不可触摸又无形的能量。


看松读画轩


答:粒子对撞机是把微观粒子加速到接近光速的装置,也是高能物理研究中的重要工具。


试想,我们得到一个未知装置,如果我们想了解这个装置的工作原理,那么最好的办法,就是拆开这个装置,能拆到多散就拆多散,就如小时候我们拆卸收音机一样!

对于粒子物理学来说也是一样的,我们要想了解物质的最基本规律,最好的办法也是把微观粒子分解,最好分解到不能分为止,然后再去研究基本粒子的规律。


但是微观粒子可不好分解,目前科学家想到的办法,就是把微观粒子不断加速,然后和另外一个高能粒子相撞,就有可能把粒子撞得更散,然后产生新的粒子。



比如把两个氦原子核加速后进行碰撞,就有可能把氦原子核撞散,得到自由中子和自由质子。

在欧洲的大型强子对撞机(LHC),是目前投入使用的最大对撞机,周长接近27公里,可以把单个质子加速到光速的99.999999%,能量高达140000亿电子伏特。


目前,欧洲大型强子对撞机已经取得了很多成果,包括2013年发现标准模型预言的“上帝粒子——希格斯玻色子”。

对撞机的原理:使用超导磁铁产生环形强磁场,利用电场给带电粒子加速,被加速后的带电粒子在磁场中运动会受到洛伦兹力,洛伦兹力使带电粒子做圆周运动,从而实现反复加速去接近光速。


但是微观粒子也受相对论效应限制,其速度只能不断接近光速,而不能达到光速;而且随着速度的增加,粒子相对论质量增加,质荷比变大,使得加速越来越困难。



加速器的原理,决定了只有带电粒子可以在对撞机中进行加速,比如电子、正电子、质子和反质子,这四个是常用到的加速粒子。


好啦!我的答案就到这里,喜欢我们答案的读者朋友,记得点击关注我们——艾伯史密斯!


艾伯史密斯


通俗地讲,就是把粒子打开,看看里面的结构究竟是啥样的。


老者沙龙


碰撞吧?!


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