粒子加速器用于粉碎粒子。(圖片：Reidar Hahn/公共領(lǐng)域)
粒子加速器在物理學(xué)中的工作原理
粒子加速器使用電磁場(chǎng)來(lái)加速粒子。(圖片：BearFotos/Shutterstock)
粒子加速器不那么抽象。事實(shí)上，這個(gè)概念很簡(jiǎn)單。這些機(jī)器使用強(qiáng)大的電磁場(chǎng)來(lái)加速粒子，它們基本上像子彈一樣，就像盧瑟福最初發(fā)現(xiàn)原子核的實(shí)驗(yàn)一樣。
研究人員有大量的探測(cè)器來(lái)記錄這些碰撞事件。最早的高能物理實(shí)驗(yàn)使用了不斷流向地球表面的不規(guī)則和不可預(yù)測(cè)的宇宙射線流。要進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)，只需等待宇宙射線擊中實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并希望會(huì)發(fā)生一些有趣的事情。
回旋加速器和同步加速器：偉大的粒子加速器
Ernest O. Lawrence 發(fā)明了第一個(gè)粒子加速器，稱為回旋加速器。
20世紀(jì)30年代，第一臺(tái)粒子加速器，即控制所有這些高能粒子的機(jī)器，誕生了。Ernest O. Lawrence 發(fā)明了第一臺(tái)粒子加速器，它被稱為回旋加速器。
它實(shí)際上是你可以握在手中的東西，它在以后的版本中將電子加速到非常高的速度，接近光速。一旦電子達(dá)到速度，它們就可以與其他粒子碰撞。
隨后又出現(xiàn)了巨大的機(jī)器，稱為同步加速器和直線加速器;其中一些長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里。事實(shí)上，所有同步加速器中最大的將是超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)。這是一個(gè)正在計(jì)劃中的巨型加速器，后來(lái)由于成本問(wèn)題被美國(guó)政府取消。該機(jī)器在得克薩斯州，它的周圍是 85 公里。
尋找更大質(zhì)量的粒子
隨著物理學(xué)家尋找越來(lái)越多的大質(zhì)量粒子，越來(lái)越多的轉(zhuǎn)瞬即逝的粒子，他們需要這些更大的機(jī)器。
根據(jù)愛因斯坦的方程：E=mc 2看，制造大質(zhì)量粒子需要高能量。能量與質(zhì)量成正比。
對(duì)于更大的質(zhì)量，要在加速器中制造更大質(zhì)量的粒子，需要更多的能量。一個(gè)電子的質(zhì)量大約為一百萬(wàn)電子伏特，電子伏特是粒子物理學(xué)家使用的能量單位。一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量大約是十億電子伏特。粒子加速器在20世紀(jì)50年代達(dá)到數(shù)百億伏，70年代達(dá)到數(shù)千億伏，然后在80年代達(dá)到萬(wàn)億伏。
像超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)，以及現(xiàn)在出現(xiàn)在書中的其他一些機(jī)器，可能會(huì)達(dá)到十萬(wàn)億電子伏特來(lái)制造非常大的粒子。這些都是非常昂貴的設(shè)施，需要大量的員工。事實(shí)上，有一些發(fā)表的論文中，共同作者的名單比文章本身還要長(zhǎng)。
基本粒子的發(fā)現(xiàn)
漸漸地，隨著粒子加速器變得越來(lái)越強(qiáng)大，更多的基本粒子被發(fā)現(xiàn)。在20世紀(jì)60年代的某個(gè)時(shí)候，有數(shù)百種看似不同的基本粒子，每個(gè)粒子都有一組不同的特性：不同的質(zhì)量、不同的電荷、不同的磁場(chǎng)自旋以及其他不同的特性。
當(dāng)然，理解這些粒子與 100 年前德米特里·門捷列夫面臨的任務(wù)非常相似。不可能有數(shù)百個(gè)基本粒子，所以第一步是在這些粒子中尋找獨(dú)特的模式。
關(guān)鍵步驟之一是認(rèn)識(shí)到某些粒子從未參與原子核。也就是說(shuō)，它們總是位于原子核之外，而其他粒子似乎總是以某種方式與原子核相關(guān)聯(lián)。這是將粒子至少分成兩個(gè)大組的一種方法。
關(guān)于粒子物理學(xué)和大粒子加速器的常見問(wèn)題
問(wèn)：粒子加速器是如何工作的?
粒子加速器是利用強(qiáng)大的電磁場(chǎng)來(lái)加速基本上像子彈一樣的粒子的機(jī)器。有大量的探測(cè)器記錄碰撞事件。
問(wèn)：第一個(gè)粒子加速器是誰(shuí)發(fā)明的，什么時(shí)候發(fā)明的?
Ernest O. Lawrence在20世紀(jì)30年代發(fā)明了第一個(gè)粒子加速器，稱為回旋加速器。
問(wèn)：如何將粒子分成兩大組?
一些顆粒始終駐留在原子核外，而其他粒子似乎總是以某種方式與原子核相關(guān)聯(lián)。這是將粒子分成兩個(gè)大組的一種方法。
