他们从哪里得到加速器的粒子?

这些粒子必须从某个地方来,然后才能全速前进。这张1941年的照片实际上来自圣母大学的原子加速器,这是当时的新产品。"width=
这些粒子必须从某个地方来,然后才能全速前进。这张1941年的照片实际上来自圣母大学的原子加速器,这是当时的新产品。
©Bettmann / Corbis

当物理学家想要为他们的加速器寻找粒子时,他们会浏览一个名为OK夸克的网站,在那里回答一系列关于他们正在寻找什么的问题。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,物理学家把粒子带出去喝饮料(没有人愿意整顿晚餐都和一个无用的粒子呆在一起)。如果一切顺利,物理学家会问粒子是否对加速过程感兴趣。这就是希格斯玻色子的形18新利最新登入成过程!

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如果只。不像他们的科学堂兄弟生物学家(他们可以在网站上浏览所有种类的啮齿动物,蛔虫和类似的东西,以便轻松地批量购买),物理学家必须自己创建他们的测试对象。事实证明,抓住一个粒子进行高速碰撞并不像捧起你的手,把一些亚原子粒子像许多看不见的雪花一样吹进大型强子对撞机那么容易。

在我们讨论粒子加速器里到底放了什么之前,也许有一点背景知识是明智的,那就是一旦我们有了粒子,我们打算怎么处理它们。什么是加速器,为什么我们不能加入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,这是一个深埋地下17英里(27公里)长的圆形庞然大物。大型强子对撞机位于瑞士,由欧洲核研究组织运营欧洲核子研究中心.(相信我们——这个首字母缩写对于原版法语片名来说是有意义的。)2012年,当欧洲核子研究中心(CERN)的粒子碰撞揭示了难以捉摸的希格斯玻色子存在的证据时,大型强子对撞机成为校园内的大型加速器。希格斯粒子的发现让物理学家更加自信地证实了希格斯场的存在,这给了我们一些关于宇宙中物质如何获得质量的答案。18新利最新登入

但如果LHC是加速器世界的Beyoncé,那么也有相当多的工作室玩家高兴地埋头苦干。实际上,世界上大约有3万个加速器在嗡嗡作响,正是这些工作的人创造了各种实用的发明[来源:Dotson].想想尿布。

没错,任何烦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性聚合物时遇到了麻烦,所以——哒哒!他们把它们放在x射线显微镜下(使用粒子加速)[来源:克莱门茨].能够识别和研究这些分子链的结构,使他们对分子式进行了修补,使我们现代的尿布像解释粒子加速度本身一样干燥。

加速器在医疗环境中也有应用,比如癌症治疗。线性加速器(粒子在直线运动后与目标碰撞)发送电子与金属目标碰撞,从而产生精确的高能x射线,照射肿瘤[来源:RadiologyInfo.org].现在我们对加速器的用途有了一些了解,让我们来谈谈我们给它们提供了什么。

正如我们之前所说的,欧洲核子研究中心(CERN)这样的机构的科学家们被要求(哈!)自己制造粒子——这感觉有点像让会计师为了完成客户的税务而请他做一个计算器。但粒子物理学家是另一种;这对他们来说没什么麻烦。它们所要做的就是从氢开始,用双等离子体加速器剥离电子,最后得到质子。无论什么。不要紧。

在这里,我们发现粒子加速最简单的部分——获得该死的粒子——对于那些没有收到节日贺卡的人来说仍然是非常可怕的斯蒂芬·霍金.但这真的没有听起来那么可怕。首先,氢气只是一种气体,被送入粒子加速器的第一步双等离子管.它可能看起来像“神秘科学剧场3000”里的东西,但十二指肠管相当简单。氢原子有一个电子和一个质子;在双等离子体内部,氢原子利用电场剥离电子[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,它们穿过更多的提取网格,所以只剩下质子束[来源:O 'Luanaigh欧洲核子研究中心].

大型强子对撞机并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还有一项有趣的任务,那就是将铅离子碰撞在一起,以研究夸克-胶子等离子体,这只是非常非常早期宇宙中游泳的一部分[来源:欧洲核子研究中心].通过将重金属离子(金子也一样)撞击在一起,科学家们可以暂时形成夸克-胶子等离子体。

但现在你太成熟了,不会相信铅离子会神奇地出现在粒子加速器中。所以事情是这样发生的18新利最新登入:欧洲核子研究中心的物理学家负责收集铅离子,实际上是从固体铅开始的,铅-208,一种特定的元素同位素。固体铅被加热到蒸汽-大约1472华氏度(800摄氏度)[来源:O 'Luanaigh].然后,铅蒸气被电流击穿,使样品电离产生等离子体。新创建的离子(带净电荷的原子获得或失去电子)然后迅速进入线性加速器,让它们冲刺,使它们失去更多的电子[来源:Yurkewicz].当铅离子再次积累并加速后,它们就可以和质子一样进行同样的公路旅行,并且可以毫不费力地通过大型强子对撞机。

结果出来了。用于大型粒子加速器的粒子不是在黑市上买到的,而是在内部制造的。

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作者注:他们从哪里得到粒子加速器的粒子?

也许这篇文章给你留下了一个恼人的问题:除了粒子之外,任何东西都能通过加速器吗?对此,费米国家加速器实验室的科学家们说:“当然。18新利最新登入雪貂怎么样?”

先别给善待动物组织打电话。首先,他们没有把雪貂费莉西亚加速到接近光速。(是的,她有名字。拜托,这又不是农场。)相反,他们用她当女佣。雪貂以在狭小的空间里挖洞和缓慢前进而闻名。科学家们在费利西亚的衣领上绑了一块抹布,在施工过程中连接管道之前,让她从狭窄的管道中滑过[来源:Gustafson].(他们最终找到了一个机器人来清理加速器。)

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  • Cofiled,马蹄莲。“解构:MRI。”对称的杂志。(2014年7月16日)http://www.symmetrymagazine.org/article/december-2008/deconstruction-mri
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  • 对称的杂志。“18新利最新登入粒子物理学如何改善你的生活。”2013年3月26日。(2014年7月16日)http://www.symmetrymagazine.org/article/march-2013/how-18新利最新登入particle-physics-improves-your-life
  • 粒子冒险。“18新利最新登入我们如何用微小粒子做实验?”伯克利实验室,2014。(2014年7月16日)http://www.particleadventure.org/get_part.html
  • 之后,萨拉。“关于粒子加速器你可能不知道的十件事。”对称的杂志。2014年4月15日。(2014年7月16日)http://www.symmetrymagazine.org/article/april-2014/ten-things-you-might-not-know-about-particle-accelerators
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