粒子加速器的工作原理是怎样的?带电粒子的速

山西龙采资讯网文摘2019-09-17 11:0046

自从有人说光速是宇宙的终极速度以来,人们一直再用最强大的工具试图接近或超越这个极限。


我们知道真空中的光速为299,792,458米每秒。也就是我们所说的c。目前我们测量的光速非常准确,其速度为299,792,458.00000000……(等)米每秒。



科学家之前对中微子的“最佳测量”来自上图中的这颗超新星,它证实了中微子的运动速度与光速难以区分,精度为±0.62米/秒。之前也有关于中微子超光速的报道,也是震动了科学界,但最后证实是实验数据出现了问题。





我们花了几代人的时间,试图在严格控制的实验室环境下,通过粒子加速器将构成物质的粒子加速到接近光速的速度。


其实粒子加速器的目的并不是为了验证宇宙的速度极限,也不是为了打破速度极限,而是为了寻找新的粒子,但这个实验的过程也是我们人类创造极限速度的场所。那我们是怎样通过加速器加速粒子的?


粒子加速器是怎样加速粒子的?


如果你把一个带电粒子放在电场中,带电粒子会受到力的作用并加速。带正电荷的粒子加速的方向与电场相同,带负电荷的粒子受到的力与正电荷相同,但方向相反。 带电粒子一旦运动,也会对磁场做出反应。



如果磁场方向与带电粒子的运动方向垂直,磁场就会使带点粒子的轨道弯曲成圆形,带正负电的粒子就会弯曲成相反的方向(顺时针或逆时针)。





如果把这两个性质在一个正确的结构中结合起来,我们就可以使带电粒子在圆周运动中不断的加速!



这是一种设计原始的回旋加速器,是现代大型环形粒子加速器的前身。





在这个早期的设计中,磁场使带电粒子弯曲成一个圆形的轨道,带电粒子每次穿过回旋加速器的中心时,会产生一个交变电场来给粒子提供加速力。


随着粒子运动的速度越来越快,粒子形成的圆形轨道也会变得越来越大,因为恒定的磁场不可能把速度越来越高的粒子控制在一个固定的环形轨道中。当一个粒子获得更多动量时,改变粒子的运动方向就更难了!



然而,在现代粒子加速器的设计中,科学家并没有使用永磁体产生的固定磁场和不断增加的螺旋轨道。相反,科学家将粒子加速器的巨大圆环与电磁铁连接起来,这样随着粒子动能的变化就能产生适量的磁场,使快速运动的粒子一直保持在圆环内。无论粒子以99%,99.99%,99.9999%的速度移动,还是以光速的任何百分比移动,知道磁场到位,就没有任何问题。


现代加速器的工作原理就是把粒子注入加速环,并将电磁铁产生磁场的强度调到与速度相适应的水平。粒子在环形轨道的加速腔中获得加速,使速度缓慢的提升。为了让粒子一直保持在固定的轨道中,加速器的磁场也会跟着粒子的动量发生变化,如果出一点差错,粒子就会撞向环形轨道!


所以每当粒子经过加速腔以后,电磁铁的磁场强度就会相应的增加,无论粒子是以299,492,093 m/s的速度运动还是299,492,108 m/s的速度运动,磁场强度都决定了粒子是留在环形跑道中,还是与加速器相撞。


带电粒子的速度极限


美国的费米实验室Tevatron加速器(上图)已经是高能物理的元老设备了,它在一个方向上加速粒子,在相反的方向上加速反粒子(质量相同但电荷相反)。





当高能粒子和反粒子碰撞时,科学家重点关注的是在这种高能情况下会发生什么?以找到新的粒子,最难的部分就是需要仔细校准电磁铁和加速腔,使它们在正确的频率下工作,这一点至关重要!费米实验室创造的速度已经达到了光速的99.999956%。



欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机保持着粒子能量的最高记录,其质子的速度最高达到299,792,455米/秒,即99.9999991%的光速,比光速只慢了3米/秒。





这个速度已经充分证明了质子的运动速度不会超过光速,实际上,通过我们对加速器的电磁调整,我们就能知道质子是否能超过光速,这个速度已经是质子的极限了。


但这个速度并不是我们创造的最快粒子!



虽然LEP大型电子-正电子对撞机(强子对撞机的前身)最多只能获得104.5 GeV的能量,或者仅仅是大型强子对撞机能量的的1/33,但一个质子的质量几乎是一个电子的2000倍!要使电子达到与质子同样的速度只需要加速质子能量的1 / 1836(或0.054%),那么这对电子的速度意味着什么?





这意味着LEP的电子和正电子达到了每秒299,792,457.9964米的最高速度,或惊人的99.99999988%的光速,仅仅比真空中的光慢3.6毫米/秒!



速度确实很快,直逼光速,但是它们还是比光速慢!因此,构成我们世界的所有质子和电子,依然受到狭义相对论定律的约束。