为什么研究更小的基本粒子要用更大的加速器

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发布日期:2017年10月16日 所属分类:新知
为什么研究更小的基本粒子要用更大的加速器

大型强子对撞机(LHC, LargeHadronCollider)是世界上最大的粒子对撞机。科学家希望用它可以发现平行宇宙的存在。

作者:王一/科普中国

1988年10月16日,我国第一座高能加速器——北京正负电子对撞机首次对撞成功。可为什么国家非常重视建造巨大的加速器呢?

想看清地上的小蚂蚁,俯下身就可以了。想看清细菌这样的微生物,需要用显微镜。使用扫描隧道显微镜甚至可以看清原子。那么,要用什么样的仪器才能看清更小的基本粒子呢?

让我们从视觉原理说起。我们能看见物体,是因为光线照射到物体上发生反射,我们眼睛通过接收反射光来判断出物体的材质、大小和距离。可是,如果某个物体比光的波长还小,那么光线照到它就会绕过去,而不能反射回来,就好比无线电波绕过障碍物一样。

为什么研究更小的基本粒子要用更大的加速器

法国、瑞士交界处的大型强子对撞机LHC鸟瞰图。

光波绕过小于自身波长的障碍物继续向前传播的现象称为“衍射”。衍射现象不是光独有的。如果把光波换成其他的粒子来“看”物体,也不能避免以上问题。量子力学认为,所有物质都具有波粒二象性。比如电子或者质子,也都有相应的波长,会绕过比它们波长小的物体。

这种光波和物质波衍射的性质,在量子力学中最终被归纳为不确定性原理。

不确定性原理指出,一个粒子的位置和动量不能同时被确定。所以,要看到越小的东西,就需要“光源”发出的粒子波长越短。由于光速等于波长和频率的乘积,而能量等于普朗克常量与频率的乘积,因此,粒子波长更短意味着能量更大。

也就是说,要看清小小的基本粒子,需要用携带巨大能量的探测粒子才行。于是我们需要把探测粒子加速到很高的能量,能完成这种工作的装置就是粒子加速器。

例如,北京正负电子对撞机就是这样的一台加速器。这台对撞机可以把正负电子加速到20亿电子伏的能量,也就是说把电子加速到光速的99.999 997%,并以这样的速度,每秒进行上百万次对撞。正是这样的加速器,承担着实验探索基本粒子性质的重任。

同时,北京正负电子对撞机可以作为同步辐射光源,参与高温超导、光刻技术等方面的研究和应用。

为什么研究更小的基本粒子要用更大的加速器

大型强子对撞机(LHC, LargeHadronCollider)内部结构。

把质子加速到更高的能量相对容易些。可是,质子内部的相互作用力很强,所以质子和质子对撞是比电子对撞复杂得多的过程。

质子对撞带来的复杂性,就好比用两只青蛙高速相撞,撞得粉碎之后,再通过碎片来分析青蛙的生物结构一样。比如,在瑞士日内瓦西郊运行的大型强子对撞机就是这样一台质子加速对撞的机器。

大型强子对撞机的直径长达8.6千米,在对撞点上安装的探测器有几层楼房那么高,而质子和质子对撞的能量则达到了140,000亿电子伏。大型强子对撞机每年生成的实验数据足以写满上百万张DVD。

幸好,计算机技术的发展使得这种复杂的数据处理和重建成为可能。目前,全世界的高能物理学家都在期待大型强子对撞机检验已知的粒子物理理论,以及发现激动人心的新物理理论。(致知网编辑配图)

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