2020-02-05 17:29
来源:
李论科学
在地球上，我们平时所能看到的一切物质都是由质子、中子、电子组成，还有大量的光子，当然自然界中还包括一些我们无法感知的东西，有正反中微子，大质量暗物质粒子，以及只会在短时间内存在的高能粒子。
在这些粒子中，中微子是质量最轻的粒子，但他不带电荷，而电子是第二轻的粒子，带一个负电荷，质量为5.11×10^3（eV/c^2），而质子带正电荷，质量为9.38×10^8（eV/c^2)，其质量约为电子的1836.5倍。其中电子是费米实验室大型正负电子对撞机（LEP）中所使用的加速粒子，而质子是目前人类所拥有最能量的欧洲核子研究中心大型强子对撞机所使用的加速粒子。
它们的工作原理是一样的，都是利用就是为带电粒子提供一个加速的电场，使带电粒子获得速度，然后在带电粒子经过的范围提供一个根据其速度可变的磁场，使带电粒子的加速路径弯曲成一稳定的圆环。因此只要电场、磁场足够强，带电粒子就能获得足够的速度。
一般环形加速器优于直线性加速器，因为带电粒子可以一次又一次地使用相同的“轨迹”来获得越来越高的能量，从而使粒子加速到与光速相差不到1公里每秒的速度。这里有个问题就是，为什么粒子加速器升级以后，也就是大型强子对撞机使用的是质子，而不是电子？在我们的认识里，电子质量更轻，应该更容易获得加速，达到更高的速度。
而且质子还有一个明显的缺点，质子不是基本粒子，它是由三个夸克和胶子组成的。当LHC碰撞两个质子时，碰撞能量不仅会在每个质子的三个夸克之间分散，而且还会在内部的所有胶子之间分散。这样不仅会让碰撞的能量不够集中，而且还会产生大量的“垃圾”也就是所谓的碰撞碎片，因此会让碰撞点一场的“混乱”，我们想要探测产生的新粒子就是十分困难。
但是，对于大型正负电子对撞机来说，电子确实质量小容易加速，也是基本粒子，碰撞后在相撞点的能量比较集中，也没有过多的“碎片”，直觉上应该比质子好。但在物理上电子却无法达到与质子相同的能量。这是为什么呢？
实际上，在大型强子对撞机之前，LEP或大型电子正电子对撞机使用的环形跑道周长也是27公里。但是，后来的大型强子对撞机的能量可以达到13TeV或13,000,000,000,000电子伏特，LEP却只能达到114GeV的能量或114,000,000,000电子伏特。为什么会有这么大的差异呢？这不是因为环的大小（相同），也不是因为磁体的强度（可能相同但不会有太大的不同），也不是因为质子电子质量的问题，而是因为当带电粒子在弯曲的磁场中加速时会发出电磁辐射。
这种现象被称为同步加速器辐射，而这种辐射的能量损失与带电粒子质量的四次方成反比，这意味着当电子的质量比质子小1836倍时，它会以10 ^ 13倍的速度失去能量！而质子损失的能量就相对来说比较慢，在相同情况下，质子就可能达到更高的能量或更高的速度。
因此在LEP之后的LHC我们就使用了质子作为加速粒子。但通过上文我们也知道质子也有它的缺点。我们有没有一种介于质子和电子之间的提到粒子呢？
就是μ子，它和电子是近亲，属性基本相同，什么自旋、电荷、磁矩都是一样的，但其质量是电子的206倍，这就弥补了电子质量的不足。而且μ子与质子相比，其是基本粒子可以有效的解决碰撞后能量比较分散的现象。
但μ子也有自身的缺点，因为μ子属于不稳定粒子，会在平均2.2微秒衰变为电子和两个中微子。所以我们一开始就必须让μ子有一个很快的初始速度被射入环形加速器的加速圆环中。利用相对论的时间膨胀效应减慢它的衰变时间。我们应该能够将它们加速到99.999％以上以光速使其相撞，并发现关于宇宙的更大秘密。这也是以后大型粒子加速器发展的方向。返回搜狐，查看更多
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