加载中…
个人资料
波动力学者
波动力学者
  • 博客等级:
  • 博客积分:0
  • 博客访问:801,140
  • 关注人气:1,368
  • 获赠金笔:0支
  • 赠出金笔:0支
  • 荣誉徽章:
相关博文
推荐博文
谁看过这篇博文
加载中…
正文 字体大小:

什么是对撞机

(2012-08-11 04:48:43)
标签:

格拉肖

对撞机

加速器

粒子物理

能量

杂谈

分类: 科普

   什么是对撞机

    顾名思义,对撞机是一种让某种东西在其中对撞的机器。在研究高能物理用的对撞机里,对撞的可不是一般的东西,而是被加速到接近光速的微小粒子。因此,这里说的对撞机就是加速带电粒子并在其中进行对撞的加速器。对撞机是探索物质微观世界的有力工具。为了说明这个问题,还是让我们从头谈起。

    人类赖以生存的世界是物质的,而物质世界是无限的。图1展示了物质世界的尺度和学科分野。这张图来自格拉肖十多年前应邀在高能物理研究所作的题为“高能物理的未来”的演讲。这位与温伯格和萨拉姆一起建立电弱统一理论而分享1979年诺贝尔物理奖的哈佛大学著名教授,用一条蛇向听众讲述了物质从宇观的天体、宏观的物体、介观的团簇直到微观的粒子的生动故事。谈到这条“格拉肖蛇”的首尾相衔,他强调这并不意味着天体物理把粒子物理吞没,而是指在足够小和足够大的尺度下什么是对撞机,两者具有统一的理论,即电、弱、强和引力相互作用“合四为一”。

什么是对撞机



图1 物质世界的尺度和学科分野

    作为一门基础科学中的前沿学科,粒子物理研究作为构成我们赖以生存的物质世界的“砖块”的“基本粒子”。粒子物理研究旨在回答一系列最基本的问题:宇宙间所有的物质与能量的基本要素是什么?我们所看到的物质的组成和性质及其转变规律是什么?上个世纪以来,人类对于物质结构的认识,从原子分子层次、原子核层次,质子中子层次,逐步深入到强子内部,达到夸克和轻子的层次;了解到自然界的四种相互作用都是通过相应的媒介子传递的:光子传递电磁相互作用,中间玻色子什么是对撞机传递弱相互作用,胶子传递强作用,而引力子传递引力作用;每一种粒子都有它们的反粒子。人们所熟悉的构成原子核的质子和中子,就是由上夸克(u)和下夸克(d)所组合而成的,称为第一代夸克,对应的第一代轻子是电子(e)和电子中微子什么是对撞机。后来又发现了第二代的奇夸克(s)和粲夸克(c),对应的第二代轻子为什么是对撞机子和什么是对撞机中微子什么是对撞机。属于第三代的是底夸克(b)和顶夸克(t),对应轻子为t子和t中微子什么是对撞机

    “基本”粒子如此微小,如何对其进行研究呢?粒子加速器是研究微观粒子的“显微镜”。用加速器作为“显微镜”研究物质微观结构,其分辨能力什么是对撞机(de Broglie 波长)与作为“探针”的粒子束流的能量E相关:

什么是对撞机

    这里,p为粒子动量,什么是对撞机为普朗克常数,c为光速,什么是对撞机为相对论速度,当粒子速度接近光速时什么是对撞机。我们把h、c和什么是对撞机代到上面的式子里,就得到一个非常简单的关系:探针束流能量什么是对撞机。从这个式子里,我们可以看出,用于探测物质结构的“探针”束流的能量愈高,其研究的分辨率也就愈高。因此,要探索更深层次的微观世界,研究更微小的粒子,就需要更高能量的加速器。这就出现了一个有趣的现象:研究的对象愈微小,需要的设备愈庞大。

    用这个关系,我们就计算不同尺度的微小对象所需要的“探针”束流的能量和相应的观测工具,列于表1中。

表1 微小对象的尺度和相应的观测方法

 

观测 对象

尺度 (cm)

探针能量

实验工具

细胞/细菌

10-3~10-5

0.1~10eV

光学显微镜

分 子

~10-7

~1keV

电子显微镜同步辐射等

原 子

~10-8

~ 10keV

同步辐射等

原子核

~10-12

>100MeV

低中能加速器

强 子

~10-13

>1 GeV

高能加速器

夸克、轻子

<10-16

>1TeV

对撞机

     在上面的表格里,eV(电子伏)是粒子能量的单位,为电子通过1V电位差所得到的能量,什么是对撞机尔格。而什么是对撞机尔格。读者可能会问,这不是一个很小的能量吗,为什么叫高能呢?实际上,对于微观粒子来说,这就是很高的能量了,要使每个粒子获得这么高的能量,需要十分庞大的加速器。而对撞机比普通的打静止靶加速器更有效地达到高相互作用能量。

 

   为什么要造对撞机

粒子物理深入到更微小的层次,也就是向“格拉肖蛇”的尾部挺进,就要求有更高能量的加速器。这里说的“更高能量”是指“打碎”粒子有效的能量,也就是质心系能量。打个比方,一辆汽车追尾撞向停在前面的汽车,往往是把车子推向前走,造成汽车的损坏比起迎面相撞的汽车就小得多。

    著名的意大利物理学家费米在1954年曾提出一个质心系能量为3 TeV的加速器设想。那时侯,还没有对撞机的概念,下面我们将看到,为了得到Ecm=3TeV需要用E=5000TeV 的束流与静止靶中的质子相互作用,如采用2 T的主导磁场,5000 TeV的同步加速器的偏转半径约为 8000 km,比地球的半径还要大。图2是这台地球加速器的构想图。当时估算这台地球加速器的造价为1700亿美元,需要40年建成。显然,这只是一个梦想。

对撞机能够使费米之梦成真。

    高能物理需要寻找新粒子,研究新反应,就要尽可能把粒子“撞坏”、打开,因而关心的是质心系能量或有效作用能。在打静止靶情况下,有效作用能

什么是对撞机

 

    即大部分能量浪费在对撞粒子及其产物的动能上。这里,什么是对撞机为粒子的静止能量。对撞机则可使束流的能量得以充分利用:

什么是对撞机

 

    在高能加速器中,E远大于什么是对撞机,因此对撞机可以大大提高有效作用能量。让我们再回到“地球加速器”的例子。美国费米国立加速器实验室(FNAL)的Tevatron已经实现了0.9TeV的质子和0.9TeV的反质子对撞,把质心系能量推进到1.8TeV ,离费米之梦已近在咫尺。而正在欧洲核子中心(CERN)建造的大型强子对撞机LHC将能把质子加速到7TeV并进行对撞,质心系能量达14GeV,对撞机的周长为27km,远小于“地球加速器”的周长,预期在2007年建成。

23

 

图2 费米构想的地球加速器

    对撞机赢得了有效作用能,但要获得能与打静止靶加速器相比拟的反应事例率,必须提高对撞亮度(定义为事例率与反应截面的比值),这对加速器物理和技术提出了诸多挑战。

     对撞机在粒子物理近40年激动人心的进展中崭露头角,已成为一种占主导地位的高能加速器。20世纪70年代什么是对撞机粒子、什么是对撞机轻子和什么是对撞机粒子等都是同时或相继在打静止靶加速器和对撞机上获得的,而能量更高的中间玻色子什么是对撞机以及近年发现的t夸克,则是在对撞机上找到并加以研究的。

0

阅读 评论 收藏 转载 喜欢 打印举报/Report
  • 评论加载中,请稍候...
发评论

    发评论

    以上网友发言只代表其个人观点,不代表新浪网的观点或立场。

      

    新浪BLOG意见反馈留言板 电话:4000520066 提示音后按1键(按当地市话标准计费) 欢迎批评指正

    新浪简介 | About Sina | 广告服务 | 联系我们 | 招聘信息 | 网站律师 | SINA English | 会员注册 | 产品答疑

    新浪公司 版权所有