為什麼物理學家要把雪貂放入粒子加速器中?

2021-01-20 火星科普

1971年2月,費米國家加速器實驗室的物理學家開始測試當時世界上最強大的粒子加速器:一個環形的2000億電子伏特質子同步加速器。時任費米實驗室主任的Bob Wilson表示,他可以在五年內用2.5億美元讓它運行起來。但四年過去了,這臺粒子加速器還沒有投入使用,他們遇到了一個令人困惑的問題——對加速器運行至關重要的磁體不斷失效。

為解決這一高科技難題,物理學家提出了一個低技術含量的解決方案,他們找來了一隻名叫費利西亞(Felicia)的雪貂。那麼,為什麼雪貂會成為拯救粒子加速器的關鍵呢?

在費米實驗室的加速器中,主環周長為6公裡,它配備了磁體,可以引導粒子束通過加速器。磁體包含774個偶極磁體(用於控制粒子束)以及240個四極磁體(用於聚焦粒子束)。

費米實驗室的萬億電子伏特加速器

每塊磁體都非常龐大,長度可達6米,重近13噸。起初,當線圈周圍的玻璃纖維絕緣材料破裂時,只有兩塊磁體失效。不久後,失效的磁體越來越多。在接下來的幾個月裡,研究小組更換了350塊磁體。

在1971年6月30日,物理學家第一次成功地發射了一束粒子繞著主環飛行。到了當年8月,成功次數已經達到1萬次。但接下來,物理學家試圖把這些粒子加速到70億電子伏特以上時,磁體卻短路了。

物理學家終於意識到原因,金屬片在進入真空管時有部分殘留。當磁體被激發到更高的磁場時,金屬片被拉進磁體間隙,它們會豎立起來擋住粒子束,因為它們是微磁性材料。

因此,物理學家需要把金屬片取出來。但要怎麼做呢?

費利西亞

為此,人們不得不尋找一種快捷並且廉價的清理方法。於是,有人想到了雪貂。作為一種喜愛穴居的動物,雪貂會毫不猶豫地鑽進不鏽鋼管的內部。

很快,野生動物養殖場送來了一隻名為費利西亞的雪貂,花費35美元。它的體長只有38釐米,這是野生動物養殖場養過最小的雪貂。

人們在費利西亞的脖子上圍了一個特製的頸圈,用繩子綁住。然後,人們讓這隻雪貂拖著一塊被清潔劑泡過的抹布進入粒子加速器中。就這樣,雪貂在粒子加速器的主環中來回清理了數次。

與此同時,工程師製作了一根長達700米的專用清理工具。通過這樣的反覆操作,整個真空管得以被基本清理乾淨,儘管不是非常完美。

不過,清理之後的粒子加速器運行得很好,沒有發生短路的情況。在接下來的幾個月裡,研究小組穩步提高了能量水平,並在1972年3月1日,使加速器達到了2000億電子伏特的目標能量。

費利西亞在加速器的管道中跑了十幾圈之後,就半退休了,大部分時間都在水貂養殖場當寵物。第二年春天的一個晚上費利西亞病倒了,第二天,人們帶它去看了獸醫。在醫療護理下,它短暫地恢復了健康。但幾天後,費利西亞於1972年5月9日去世。屍檢報告顯示,費利西亞的腸道中有一個破裂的膿腫。

如今,費米實驗室是世界著名的物理學研究中心之一,擁有多個粒子加速器。在粒子物理標準模型預言的數十種基本粒子中,其中有三種是在這個實驗室中被發現:1977年發現的底夸克、1995年發現的頂夸克和2000年發現的τ中微子。

根據費米實驗室的介紹,該實驗室中的粒子加速器綜合設施全年24小時運轉,除了幾個計劃關閉的時間段。當加速器的管道需要清理時,對於較短的部分,物理學家會把一塊抹布綁在一根長棍上,讓它穿過管道。如果要清理很長的管道,他們就用著名的的「費利西亞方法」——把清潔布綁在繩子上,然後再慢慢穿過管道。

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