当物理学家需要粒子作为他们的加速器时,他们会浏览一个叫OK夸克的网站,在那里他们会回答一系列关于他们要寻找什么东西的问题。你想要一个具有积极人格的粒子,还是一个具有中性能量的粒子?诸如此类的事情。
然后物理学家带着粒子出去喝酒(没人愿意一整顿晚餐都和一个无用的粒子呆在一起)。如果一切顺利,物理学家问粒子是否对加速过程感兴趣。希格斯玻色子就是这样形成的!
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如果只。不像他们的科学近亲生物学家(他们可以在网站上浏览所有啮齿动物、蛔虫等的订单,以便方便批量采购),物理学家必须自己创建他们的测试对象。事实证明,捕获一个粒子进行高速碰撞并不像把你的手捏成杯状,把一些亚原子粒子吹进大型强子对撞机(Large Hadron Collider),就像许多看不见的雪花那样简单。
在我们真正进入粒子加速器之前,最好先给我们一点背景知识,一旦我们有了粒子,我们到底打算怎么处理它们。什么是加速器,为什么我们不能扔一些比粒子更实质性的东西呢?
最著名的粒子加速器可能是大型强子对撞机,一个深埋地下17英里(27公里)的圆形庞然大物。大型强子对撞机位于瑞士,由欧洲核研究组织运行欧洲核子研究中心.(相信我们——这个首字母缩略词在法语标题中是有意义的。)2012年,当欧洲核子研究中心的粒子碰撞揭示了难以捉摸的希格斯玻色子的证据时,大型强子对撞机成为了校园大加速器。希格斯粒子的发现让物理学家更有信心地证实希格斯场的存在,这给了我们一些关于宇宙中物质如何获得质量的答案。
但是,如果LHC是加速器世界的Beyoncé,那么也有相当多的工作室玩家在高兴地埋头苦干。实际上,世界上还有大约3万个其他的加速器在嗡嗡作响,而正是这些正在工作的人,创造了各种各样的实用发明[来源:Dotson].考虑到尿布。
没错,任何苦恼的父母的朋友都是一次性尿布。想要研究一次性用品中使用的高吸水性聚合物的科学家们在研究湿的聚合物时遇到了困难,所以——哈哈!——他们将它们通过x射线显微镜(使用粒子加速)[来源:克莱门茨].由于能够识别和研究这些分子链的结构,他们对分子式进行了修改,使我们的现代尿布像解释粒子加速本身一样干燥。
加速器也在医疗环境中出现,比如癌症治疗。线性加速器(粒子在直线运动后与目标发生碰撞)使电子与金属目标发生碰撞,从而产生精确的高能x射线,照射肿瘤[来源:RadiologyInfo.org].现在我们知道了一些加速器的用途,让我们来谈谈我们喂它们什么。
就像我们之前说的,在像CERN这样的机构里,科学家们被要求(哈!)自己制造粒子——这有点像让一个会计为了完成客户的税收而去建造一个计算器。但是粒子物理学家是一个不同的品种;这对他们来说不算什么麻烦。它们所要做的就是从氢开始,用十二指肠原体剥离电子,最后得到质子。无论什么。不要紧。
这就是我们发现粒子加速最简单的部分——得到该死的粒子——对于那些没有收到节日贺卡的人来说,仍然显得非常可怕斯蒂芬·霍金.但其实并不像听起来那么可怕。首先,氢只是一种气体,进入粒子加速器的第一步——双等离子管.这听起来像是《神秘科学剧场3000》里的东西,但十二指肠原体是相当简单的。氢原子有一个电子和一个质子;在十二指肠原体中,氢原子利用电场剥离其电子[来源:欧洲核子研究中心].剩下的是质子、电子和分子离子的等离子体,它们穿过更多的萃取网格,所以只剩下一束质子束[来源:O 'Luanaigh,欧洲核子研究中心].
大型强子对撞机不仅仅使用质子来完成一天的工作。欧洲核子研究中心的物理学家们也有一个有趣的任务,将铅离子相互碰撞,以研究夸克-胶子等离子体。夸克-胶子等离子体只是非常、非常早期宇宙中游动的一小部分。欧洲核子研究中心].通过将重金属离子(金离子也可以)粉碎在一起,科学家可以暂时形成夸克-胶子等离子体。
但现在你太老练了,不能相信铅离子会神奇地出现在粒子加速器里。它是这样发生的:负责收集铅离子的欧洲核子研究中心物理学家实际上是从固体铅开始的,铅208,一种特定的同位素。固体铅被加热至蒸汽——约为1472华氏度(800摄氏度)[来源:O 'Luanaigh].然后,铅蒸气被电流击中,使样品电离,产生等离子体。新创建的离子(带有净电荷的原子获得或失去电子)然后被迅速送入线性加速器,给它们一点冲刺,并使它们失去更多的电子[来源:Yurkewicz].当它们再次积累和加速后,铅离子就可以像质子一样进行同样的公路旅行,并可以毫不在意地通过大型强子对撞机(Large Hadron Collider)。
这就是答案。用于顶级粒子加速器的粒子不是在黑市上买到的,而是内部制造的。
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