粒子加速器是物理学家用来将粒子加速到高速的机器。

 

我们为什么要加速粒子？

我们如何检验粒子物理理论？我们需要一种探测物质内部的方法。这将使我们能够观察到我们的理论所预测的粒子，或者发现意想不到的新粒子，这些粒子可以用来修改理论。

具有讽刺意味的是，我们必须通过使用其他粒子来探测这些粒子。这实际上并不太不寻常，这是我们探索日常环境的方式。当我们看到一个物体时，是因为光子、光粒子从物体上散射开，然后被我们的眼睛吸收（然后眼睛向我们的大脑发送信号）。#科学探索#

 

当使用波进行观察时，波长限制了可以分辨的细节（分辨率）。更小的波长允许观察到更小的细节。可见光，即我们眼睛可以看到的光，波长约为 10 ^-7米。原子的大小大约为10 ^-10米，因此通过日常方法不可能检查原子子结构和基本粒子。

 

 

从波粒二象性的量子力学原理，我们知道粒子具有波的性质。与粒子相关的波长称为德布罗意波长，它与粒子的动量成反比。

 

与具有动量 p 的大质量粒子相关的波长的德布罗意方程。其中 h 是普朗克常数

 

当一个粒子被加速时，它的动量增加。因此，物理学家可以使用粒子加速器来达到足够大的粒子动量，以允许探测原子子结构并“看到”基本粒子。

 

如果加速器随后与被加速的粒子发生碰撞，由此产生的动能释放可以转化为产生新粒子。这是可能的，因为质量和能量是等价的，正如爱因斯坦在他的狭义相对论中所证明的那样。因此，足够大的动能释放可以转化为异常高质量的粒子。这些新粒子罕见、不稳定，在日常生活中通常观察不到。

 

爱因斯坦的能量 E 和质量 m 之间的等价方程式，其中 c 是真空中的光速

 

 

粒子加速器如何工作？

尽管加速器种类繁多，但它们都有两个基本原理：

 

电场用于加速粒子。

磁场用于控制粒子。

 

第一个原则是对所有加速器的要求。只有在加速器以非线性路径引导粒子时才需要第二个原理。这些原理如何实现的细节为我们提供了不同类型的粒子加速器。

 

静电加速器

第一个粒子加速器使用了一个简单的设置：产生一个单一的静态高压，然后施加在真空中。由于静电力，由此电压产生的电场会加速沿管子的任何带电粒子。这种类型的加速器只适用于将粒子加速到低能量（大约几 MeV）。然而，它们仍然通常用于在将粒子送入现代更大的加速器之前对粒子进行初始加速。

 

在存在电场 E 的情况下，带电荷 Q 的粒子所受静电力的方程式

 

 

直线加速器

直线加速器（称为 LINAC）通过使用变化的电场改进静电加速器。在 LINAC 中，粒子通过一系列连接到交流电的漂移管。这样安排是为了让一个粒子最初被吸引到下一个漂移管，但当它通过电流翻转时，这意味着该管现在将粒子排斥到下一个管子。这种模式在多个管子上重复，使粒子迅速加速。

 

然而，粒子变快会导致它在设定的时间段内移动得更远，漂移管需要不断变长以进行补偿。这意味着达到高能量需要非常长的 LINAC。例如，将电子加速到 50 GeV 的斯坦福直线加速器 (SLAC) 超过 2 英里长。直线加速器仍常用于研究，但不用于最高能量的实验。

 

 

圆形加速器

引入了使用磁场引导粒子绕圆形路径的想法，以减少高能加速器占用的空间量。圆形设计主要有两种类型：回旋加速器和同步加速器。

 

回旋加速器由两个中空的 D 形板和一个大磁铁组成。将电压施加到板上并以这样的方式交替，即它加速粒子穿过两个板之间的间隙。当在板内移动时，磁场会导致粒子的路径弯曲。更快的粒子围绕更大的半径弯曲，导致一条向外盘旋的路径。由于影响粒子质量的相对论效应，回旋加速器最终会达到能量极限。

 

在同步加速器内，粒子围绕一个恒定半径的环不断加速。这是通过同步增加磁场来实现的。同步加速器对于构建大型加速器来说要方便得多，并且允许我们达到更高的能量，因为粒子在同一个循环中被多次加速。当前能量最高的加速器基于同步加速器设计。

 

 

两种圆形设计都利用相同的磁场弯曲粒子路径的原理，但方式不同：

 

回旋加速器具有恒定的磁场强度，通过改变粒子运动的半径来维持。

同步加速器通过改变磁场强度来保持恒定的半径。

 

在强度为 B 的磁场中以速度 v 运动的粒子所受到的磁力方程。此外，还有在半径为 r 的圆中运动的粒子的向心运动方程。

 

使这两个力相等给出可用于确定曲率半径或等效地确定磁场强度的关系。

 

粒子碰撞

加速后，可选择如何碰撞加速粒子。粒子束可以被引导到一个固定的目标上，也可以与另一个加速的粒子束正面碰撞。正面碰撞产生的能量比固定目标碰撞大得多，但固定目标碰撞确保单个粒子碰撞的速率大得多。因此，正面碰撞非常适合产生新的重粒子，而固定目标碰撞更适合观察大量事件。

 

哪些粒子被加速？

选择加速粒子时，需要满足三个要求：

 

粒子需要携带电荷。这是必要的，因此它可以被电场加速并被磁场引导。

粒子需要相对稳定。如果粒子的寿命太短，那么它可能会在被加速和碰撞之前解体。

粒子需要相对容易获得。在将它们送入加速器之前，我们需要能够生成粒子（并可能存储它们）。

 

这三个要求导致电子和质子成为典型的选择。有时，会使用离子，为 μ 子创建加速器的可能性是当前的研究领域。

 

 

大型强子对撞机 (LHC)

LHC 是有史以来最强大的粒子加速器。这是一个复杂的设施，建立在一个同步加速器上，它在 27 公里的环周围加速质子或铅离子束，然后在正面碰撞中碰撞这些束，产生 13 TeV 的巨大能量。大型强子对撞机自 2008 年以来一直在运行，目的是研究多粒子物理理论。迄今为止，它最大的成就是在 2012 年发现了希格斯玻色子。多项搜索仍在进行中，未来还计划升级加速器。

 

LHC 是一项非凡的科学和工程成就。用于控制粒子的电磁铁非常强大，需要通过使用液氦将其过冷到比外太空还要冷的温度。来自粒子碰撞的大量数据需要一个极端的计算网络，每年分析 PB 级（1,000,000 千兆字节）的数据。该项目的成本由来自世界各地的数十亿和数千名科学家和工程师承担。

 

 

粒子检测

粒子检测与粒子加速器的主题有着内在的联系。一旦粒子发生碰撞，就需要检测碰撞产物的结果图片，以便识别和研究粒子事件。现代粒子探测器是由多个专用探测器分层构成的。

 

显示典型现代粒子探测器各层的示意图以及它如何探测普通粒子的示例

 

最里面的部分称为跟踪器（或跟踪设备）。跟踪器用于记录带电粒子的轨迹。粒子与跟踪器内物质的相互作用会产生电信号。计算机使用这些信号重建粒子行进的路径。整个跟踪器都存在磁场，导致粒子的路径弯曲。这种曲率的范围允许确定粒子的动量。

 

跟踪器后面跟着两个量热计。量热计通过停止粒子并吸收能量来测量粒子的能量。当粒子与量热器内部的物质相互作用时，粒子雨就会开始。淋浴产生的粒子随后将其能量储存到量热计中，从而进行能量测量。

 

电磁量热仪测量主要通过电磁相互作用相互作用并产生电磁簇射的粒子。强子量热仪测量主要通过强相互作用相互作用并产生强子簇射的粒子。电磁淋浴器由光子和电子-正电子对组成。强子簇射要复杂得多，有更多可能的粒子相互作用和产物。强子簇射也需要比电磁簇射更长的时间来发展，并且需要更深的量热仪。

 

 

唯一能够通过量热器的粒子是 μ 子和中微子。中微子几乎不可能直接检测到，通常通过注意到缺失的动量来识别（因为总动量必须在粒子相互作用中守恒）。因此，μ 子是最后一个被检测到的粒子，最外面的部分由 μ 子探测器组成。μ子探测器是专门为μ子设计的跟踪器。

 

对于固定目标碰撞，粒子将倾向于向前飞行。因此，层状粒子探测器将呈锥形布置在目标后方。在正面碰撞中，碰撞产物的方向是不可预测的，它们可以从碰撞点向任何方向向外飞。因此，层状粒子探测器围绕束流管布置成圆柱形。

 

其他用途

研究粒子物理学只是粒子加速器的众多用途之一。其他一些应用包括：

 

材料科学 - 粒子加速器可用于产生强粒子束，用于衍射以研究和开发新材料。例如，同步加速器主要设计用于利用同步辐射（加速粒子的副产品）作为实验研究的光源。

生物科学 - 上述光束还可用于研究生物样品的结构，例如蛋白质，并有助于开发新药。

癌症治疗——杀死癌细胞的方法之一是使用靶向辐射。传统上，会使用直线加速器产生的高能 X 射线。一种新疗法利用同步加速器或回旋加速器产生高能质子束。质子束已被证明可以对癌细胞产生更多伤害，并减少对周围健康组织的伤害。