用於粒子對撞實驗的粒子是怎樣獲取的? | 知乎問答精選

 

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用於粒子對撞實驗的粒子是怎樣獲取的?

2019年03月22日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 5 ℃ 次

【哈哈哈的回答(49票)】:

謝邀。

質子的獲取比較簡單:首先你要有一罐氫氣,然後給它加上強電場,質子和電子就分離了,把質子拿走把電子扔掉即可。

電子的獲取更簡單了:某些材料在高溫下會放出熱電子,加上電場把熱電子引出來就行了。晶體管出現之前的電子管就是利用了這個機制,事實上加速器用的電子槍也就是個電子管。

然後看略有點麻煩的正電子:這東西哪兒都沒有現成的,只能自己製造。一般的大型加速器用到的正電子源都是靠高能光子在原子核附近對產生正負電子這一機制。高能光子的來源各有不同,很多情況下就是直接用加速過的電子打靶,高能電子在物質中的軔致輻射就是高能光子的主要來源,然後順便就在靶內對產生正負電子了。

然後看同樣有點麻煩的反質子:同為反物質,肯定也得現造,製造的方法同樣是打靶,只不過打靶的粒子得換成質子,畢竟靠強相互作用產生強子效率高啊。

至於保存這些粒子,一般都是把它們加速到一定能量之後放到加上磁場的儲存環裡讓它們跑圈。

【LuLuke的回答(17票)】:

樓上太勤奮了,我比較懶,還是直接扔個 CERN 的視頻好了……

The accelerator complex

CERN 的公關和教育部門每年會花很多錢製作這樣的動畫,6分鐘比我打6萬字還講得清楚……

另外,補充一些 fun facts [1]:

  1. LHC 的質子源,就是普普通通的一罐商用氫氣
  2. 每10小時,LHC 需要補充一次質子。一立方厘米標準大氣壓的氫氣,足夠補充 100000 次所需質子
  3. 假設線性消耗,這罐氫氣需要40億年才能消耗光
  4. 所以實際情況是,這灌氣在 LHC 消耗光前早漏光了
  5. 每年 LHC 消耗掉的質子,只佔 CERN 生產的質子總量 0.018%
  6. 這是因為,LHC 主環運行的大部分時間,是讓質子在裡面跑圈,加速所用的時間是小頭
  7. 因此,LHC 其實是一個儲存環(storage ring)……

好了,產生和儲存都回答了。其他加速器無非產生機理不同;作為對撞機,大家其實都是儲存環……

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[1] Taking a closer look at LHC

【WangErdong的回答(4票)】:

前面 @Forsoul Coz 的答案講了質子是怎麼製造的,用氫氣電離得到。適用於質子對撞機。那其他的粒子怎麼得到呢?

1. 電子直線對撞機或電子質子對撞機:

主要是電子怎麼得到。電子的產生三種原理:

熱發射(把LaB6燒紅了,一加電場就能出電子),光發射(打激光出電子)和場致發射(加個高場,針尖就能出電子)

熱發射或場致發射應用在很多電子儲存環,同步輻射裡。

對於希望得到高亮度的電子直線加速器,一般需要光發射的電子,把激光照射在銻化物或碲化物的半導體或金屬上就能產生非極化的電子。因為激光容易控制,可以產生10^-12s 級別的短束團並提高亮度。

如果需要極化的電子束比如未來的ILC(國際直線對撞機)或EIC(電子質子對撞機),那麼就需要一種特殊的晶體:砷化鎵。當圓極化的激光打在這種晶體上就能產生自旋方向一致的電子。

正電子一般通過電子打靶產生。一定能量的電子流轟擊靶材後產生高強度的韌致輻射。同時輻射激發出正電子,在電場的作用下進行加速。

上圖是我的光陰極超導電子槍上圖是我的光陰極超導電子槍

2.強子對撞機中的重離子:

強子對撞機需要高電荷態的重離子。重離子一般通過先電離原子,加速,然後再剝離原子的內層電子產生。在離子槍內高電場的作用下,產生等離子體。通過電場將重離子引出,經過前級加速器加速後電子流轟擊碳膜或氣體剝離內層電子。再將這些重離子放入到主加速器進行加速。

BNL的 Optically Pumped Polarized Ion Source BNL的 Optically Pumped Polarized Ion Source

至於保存,一般大型重離子對撞機都是儲存環式同步加速器的。就是通過不斷注入粒子達到所需要的流強和能量後進開始碰撞。等束流損失後再進行注入。

電子對撞機有儲存式的也有直線的。直線對撞機一旦撞完了就直接進入垃圾靶了。也有比較新的能量回收直線加速器。把加速後的電子重新進入加速器在反相位進行減速,讓加速器儲存能量而不是粒子,用於新的粒子加速。好處是電子品質一直很好,並且不浪費能源。

標籤:-物理學 -量子物理 -粒子物理學 -大型強子對撞機


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