粒子對撞機到底是啥?有什麼用?

2020-12-06 快科技

近日，圍繞著「中國是否應該建造世界上最大的巨型對撞機」的問題，引發了各方的爭論。比如著名數學家、菲爾茲獎獲得者丘成桐和高能所所長王貽芳就主張中國建造，而諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧卻持有相反的態度。

先不管到底誰的見解更有道理，我們先來看看到底粒子對撞機是何方神聖？它又對人類未來的發展到底有什麼作用？

通俗來說，粒子對撞機不過一種設計為高能粒子相互碰撞的機器。

粒子對撞機是由同步加速器（在同步加速器中，磁場強度與粒子的能量成正相關，以保證粒子的加速電場與電子繞加速器圓周運動的頻率一致）進化而來，粒子對撞機和回旋加速器的外形相似，均為環形。

在粒子對撞機中進行粒子對撞的時候，主要存在3個步驟——粒子的積累、加速、對撞。對於單個粒子來說，它的尺度是相當小（原子的尺寸在10-10m左右），因此要想增加粒子在對撞機中相互碰撞的頻率，需要大量的粒子束。

當然，如果粒子的能量不高，難以碰撞之後能夠產生新的粒子，所以在粒子束碰撞之前得先進行一定的加速，這時，環形軌道就派上了用場。

粒子加速器對粒子加速可採用直線加速器和回旋加速器。直線加速器相對於回旋加速器而言，加速到相同的能量，所需的建造的加速通道的路徑更長。

由於電場對帶電的粒子有庫侖力的左右，所以一般（直線或迴旋）加速器中可用電場作為驅動力，而由於帶電粒子身處磁場中時會存在一個所謂的洛倫茲力，洛倫茲力對帶電粒子並不做功，只是改變帶電粒子的運動方向（洛倫茲力的方向和帶電粒子的運動方向相切），因此在回旋加速器中，可採用磁場對帶電粒子進行偏轉，這樣可保證帶電粒子在環形軌道中運動。

為了使得粒子對撞機獲取更大的粒子撞擊的效率，通常都採用不同的粒子束相向運動進行碰撞。

粒子對撞機的發明為科學研究帶來了許多新的篇章，如裡希特就是因為在美國斯坦福加速器中心的正負電子對撞機上發現了ψ粒子，從而和丁肇中共同分享了諾貝爾物理學獎，歐洲核子中心的質子-反質子對撞機也發現了w±和Z0粒子。

目前，我國所擁有的粒子對撞機是於1990年建成於北京的正負電子對撞機。

如果中國有希望建成世界上最大的巨型對撞機，那麼不僅在粒子物理方面會取得一系列的進展，而且在高性能超導高頻腔、大功率微波功率源、大型低溫製冷劑和電子線路晶片等都將取得國際領先水平。


歐洲強子對撞機

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  • 粒子對撞機
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